tesis de grado ingeniero en sistemas informÁticos...
TRANSCRIPT
- 1 -
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO
FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA
ESCUELA DE INGENIERIA EN SISTEMAS
“PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA PROGRAMACIÓN DE
PLC EN GRAFCET PARA LAS COMPETENCIAS DE
MECATRÓNICA WORLD SKILL, CASO PRÁCTICO
LABORATORIO DE MECATRÓNICA (EIS)”
TESIS DE GRADO
Previa obtención del Título de
INGENIERO EN SISTEMAS INFORMÁTICOS
Presentado por:
GUIDO DARWIN VILEMA GUIJARRO
RIOBAMBA – ECUADOR 2011
- 2 -
AGRADECIMIENTO
Deseo expresar mi más profundo
agradecimiento a la Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo y a sus dignas
autoridades por darnos la oportunidad de
forjarnos académica y humanamente.
Un reconocimiento especial al Ing. Marco Viteri,
quien más que mi Director es un amigo, quien
por su guía, apoyo y paciencia contribuyó en
gran manera al desarrollo de este trabajo.
También agradezco de todo corazón al Ing.
Danny Velasco por su tiempo energías y
esfuerzos brindados en la culminación de este
trabajo.
- 3 -
DEDICATORIA
Este trabajo de Investigación está dedicado a
mi Creador Jehová Dios, a mi esposita Ana
Inés Llamuca Moyota y a mi hijita Ginger Anahí
Vilema Llamuca, quienes con su apoyo
incondicional me han dado la fortaleza
necesaria para luchar y alcanzar una meta más
en mi vida.
A mis amados padres Guido Hermel Vilema
Orozco, y Delia Petita Guijarro, y a mis
hermanos René, David, Alejandra y Álvaro, por
sus palabras de aliento en los momentos en
que mas los necesite.
Guido Darwin Vilema Guijarro
- 4 -
FIRMAS DE RESPONSABILIDAD
NOMBRE FIRMA FECHA Ing. Iván Menes DECANO FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA …………………………… ………………… Ing. Raúl Rosero DIRECTOR DE LA ESCUELA INGENIERÍA EN SISTEMAS …………………………… ………………… Ing. Marco Viteri DIRECTOR DE TESIS …………………………… ………………… Ing. Danny Velasco MIEMBRO DEL TRIBUNAL …………………………… ………………… Tlgo. Carlos Rodríguez DIRECTOR DEL CENTRO DE DOCUMENTACIÓN …………………………… ………………… NOTA DE LA TESIS ……………………………
- 5 -
RESPONSABILIDAD DEL AUTOR
“Yo, Guido Darwin Vilema Guijarro, soy responsable de las ideas, doctrinas y
resultados expuestos en esta Tesis, y el patrimonio intelectual de la Tesis de
Grado pertenece a la “ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL
CHIMBORAZO ”.
………………………………………………………
Guido Darwin Vilema Guijarro
- 6 -
INDICE DE ABREVIATURAS
CPU Central Process Unit
Unidad Central de Procesos
GRAFCET GRAFica de Control de Etapas de Transición
IEEE Institute of Electronic and Electrical Engineers Instituto de ingenieros eléctricos y electrónicos
IP Internet Protocol Protocolo de Internet
I/O Input/Output Entrada/Salida
LAN Local Área Network Red de área local
MMS “Manufacturing Message Specification” (acorde al ISO/IEC 9506).
PLC Programmable Logic Controllers Controlador Lógico Programable
RAM Random Access Memory Memoria de Acceso rápido
SCADA Supervisory control And Data Adquisition Control Supervisión y adquisición de Datos
SFC Sequential Function Charts Gráficas de funciones secuenciales
- 7 -
INDICE GENERAL
AGRADECIMIENTO .......................................................................................... 2
DEDICATORIA ................................................................................................... 3
FIRMAS DE RESPONSABILIDAD ..................................................................... 4
RESPONSABILIDAD DEL AUTOR .................................................................... 5
INDICE DE ABREVIATURAS ............................................................................ 6
INDICE GENERAL ............................................................................................. 7
INDICE DE FIGURAS
INDICE DE TABLAS
INTRODUCCION
CAPÍTULO I
1. MARCO REFERENCIAL ..................................................................... 15
1.1. Antecedentes ...................................................................................... 15
1.2. Justificación ......................................................................................... 17
1.2.1. Justificación teórica ............................................................................. 17
1.2.2. Justificación Práctica Aplicativa ........................................................... 18
1.3. Objetivos ............................................................................................. 20
1.3.1. Objetivo General.................................................................................. 20
1.3.2. Objetivos Específicos .......................................................................... 20
1.4. Hipótesis .............................................................................................. 21
CAPÍTULO II
2. MARCO TEORICO .............................................................................. 22
2.1. Competencias WorldSkills International .............................................. 22
2.2. Objetivos ............................................................................................. 23
2.3. Reglas de competencia ....................................................................... 24
2.4. Categorías y Habilidades .................................................................... 24
2.4.1. Habilidades Oficiales de Competencia. ............................................... 26
2.4.2. Habilidades de Demostración. ............................................................. 28
2.4.3. Habilidades del Miembro Anfitrión. ...................................................... 28
2.5. La Mecatrónica en WorldSkills ............................................................ 29
2.5.1. Condiciones generales de competencia .............................................. 30
AGRADECIMIENTO
DEDICATORIA
FIRMAS DE RESPONSABILIDAD
RESPONSABILIDAD DEL AUTOR
INDICE DE ABREVIATURAS
INDICE GENERAL
15
15
17
17
18
20
20
20
21
22
22
23
24
24
26
28
28
29
30
- 8 -
CAPÍTULO III
3. SISTEMAS DE PROGRAMACION...................................................... 32
3.1. Introducción al PLC ............................................................................. 32
3.2. Componentes básicos de un PLC........................................................ 33
3.2.1. CPU ..................................................................................................... 33
3.2.2. Memoria del Autómata ........................................................................ 34
3.2.3. Interfaces de E/S ................................................................................. 36
3.2.4. Fuente de alimentación ....................................................................... 38
3.3. Lenguajes de programación ................................................................ 38
3.4. Clasificación ........................................................................................ 39
3.5. Niveles de los Lenguajes ..................................................................... 40
3.5.1. Lenguajes de Bajo Nivel ...................................................................... 40
3.5.2. Lenguajes de Alto Nivel ....................................................................... 40
3.6. El Estándar IEC ................................................................................... 41
3.6.1. Definición ............................................................................................. 41
3.6.2. IEC 61131 ........................................................................................... 41
3.7. Estándar de programación IEC 61131-3 ............................................. 44
3.8. Elementos Comunes ........................................................................... 45
3.8.1. Tipos de Datos .................................................................................... 45
3.8.2. Variables. ............................................................................................ 45
3.8.3. Configuración, recursos y tareas. ........................................................ 46
3.8.4. Unidades de organización del programa. ............................................ 47
3.8.4.1. Funciones ............................................................................................ 48
3.8.4.2. Bloques de Función (Function Blocks FBs) ......................................... 48
3.8.4.3. Programas ........................................................................................... 49
3.8.5. Herramienta de modelado SFC ........................................................... 49
3.9. Lenguajes de Programación ................................................................ 50
3.9.1. IL ......................................................................................................... 52
3.9.2. ST ........................................................................................................ 52
3.9.3. FBD ..................................................................................................... 52
3.9.4. LD ........................................................................................................ 53
3.10. Memoria de Datos ............................................................................... 53
32
32
33
33
34
36
38
38
39
40
40
40
41
41
41
44
45
45
45
46
47
48
48
49
49
50
52
52
52
53
53
- 9 -
3.11. Direccionamiento ................................................................................. 54
3.12. Programación en Diagrama de Contactos (LD) ................................... 57
3.12.1. Elementos Básicos .............................................................................. 58
3.12.2. Distribución de un programa ............................................................... 59
3.12.3. Sistemas Combinacionales ................................................................. 60
3.12.4. Enclavamiento o Memorización ........................................................... 62
3.13. Programación en Grafcet (SFC) .......................................................... 64
3.13.1. Introducción al SFC ............................................................................. 64
3.13.2. Elementos de programación ................................................................ 65
3.13.3. Reglas y/o principios básicos .............................................................. 67
3.13.4. Clasificación de las secuencias ........................................................... 69
3.13.4.1. Lineales ........................................................................................ 70
3.13.4.2. Con direccionamiento ................................................................... 71
3.13.4.3. Simultáneas .................................................................................. 71
3.13.5. Clasificación de las acciones ............................................................... 72
3.13.5.1. Acciones asociadas a varias etapas ............................................. 72
3.13.5.2. Acciones condicionadas ............................................................... 73
3.13.5.3. Acciones temporizadas o retardadas ........................................... 73
3.13.6. Niveles del GRAFCET ......................................................................... 74
3.13.6.1. GRAFCET de nivel 1: Descripción funcional ................................ 74
3.13.6.2. GRAFCET de nivel 2: Descripción tecnológica ............................ 75
3.13.6.3. GRAFCET de nivel 3: Descripción operativa ................................ 75
3.13.7. Campos de aplicación ......................................................................... 76
CAPÍTULO IV
4. ESTUDIO DE LOS ELEMENTOS QUE PERMITA LA APLICACIÓN DE
LA PROGRAMACION GRAFCET ....................................................... 78
4.1. Introducción ......................................................................................... 78
4.2. Introducción al PLC WAGO 750-842 ................................................... 79
4.2.1. Controlador Fieldbus ........................................................................... 80
4.2.2. Módulos E/S. ....................................................................................... 81
4.2.3. Módulo de terminación ........................................................................ 81
4.2.4. Instalación Hardware del PLC ............................................................. 82
54
57
58
59
60
62
64
64
65
67
69
70
71
71
72
72
73
73
74
74
75
75
76
78
78
79
80
81
81
82
- 10 -
4.2.5. Instalación Software y configuración del PLC ..................................... 82
4.3. Introducción al Equipo Mecatrónico..................................................... 87
4.3.1. Sistemas MPS® .................................................................................. 88
4.3.2. Estación de Distribución MPS® ........................................................... 89
4.3.2.1. Elementos principales ......................................................................... 90
4.3.2.2. Accesorios requeridos ......................................................................... 94
4.3.2.3. Accesorios complementarios ............................................................... 98
4.3.2.4. Secuencia del proceso ........................................................................ 98
CAPITULO V
5. ANALISIS Y DISEÑO DE CASOS DE ESTUDIO ................................ 99
5.1. Introducción ......................................................................................... 99
5.2. Pasos de la metodología tradicional ................................................. 100
5.3. Implementación de la metodología habitual ...................................... 101
5.3.1. Metodología Tradicional .................................................................... 101
5.3.2. Método de Programación .................................................................. 104
5.3.3. Casos de Estudio .............................................................................. 105
5.4. Implementación de la propuesta metodológica para la programación de
PLC en Grafcet .................................................................................. 121
5.4.1. Método de Programación Propuesto ................................................. 122
5.4.2. Casos de Estudio .............................................................................. 124
5.5. ANALISIS DE RESULTADOS ........................................................... 132
5.5.1. Descripción de Hipótesis ................................................................... 133
5.5.1.1. Operacionalización Conceptual de Variables .................................... 133
5.5.1.2. Operacionalización Metodológica de Variables ................................. 133
5.5.2. Determinación de Escalas ................................................................. 134
5.5.3. Comprobación de Hipótesis .............................................................. 134
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
RESUMEN
SUMMARY
GLOSARIO DE TERMINOS
BIBLIOGRAFIA
ANEXOS
82
87
88
89
90
94
98
98
99
99
100
101
101
104
105
121
122
124
132
133
133
133
134
134
- 11 -
INDICE DE FIGURAS
Figura I.1 Equipo de competencia WorldSkills Ecuador 20 Figura II.2 Relación de la Mecatrónica con otras ciencias 29 Figura III.3 Diagrama de bloques del PLC 33 Figura III.4 Memorias de un PLC 35 Figura III.5 Componentes de un PLC 38 Figura III.6 Estandar IEC 44 Figura III.7 Configuración y tareas de un PLC 46 Figura III. 8 Herramienta de modelado SFC 50 Figura III.9 Tipos de lenguaje 51 Figura III.10 Diagrama Ladder 53 Figura III.11 Memoria de datos 54 Figura III.12 Formato de las direcciones de memoria 55 Figura III.13 Diagrama sencillo de Ladder 58 Figura III.14 Ejemplo de Esquema Ladder 62 Figura III.15 Circuitos con auto alimentación con prioridad a la
desconexión a) y a la conexión b) 63
Figura III.16 Circuitos LADDER con auto alimentación 63 Figura III.17 Elementos básicos del grafcet 66 Figura III.18 Etapa - Acción 68 Figura III.19 Transición - Receptividad 68 Figura III.20 Etapa inicial 69 Figura III.21 Secuencia Lineal 70 Figura III.22 Secuencia con direccionamiento 71 Figura III.23 Secuencia simultánea 71 Figura III.24 Acciones asociadas a varias etapas 72 Figura III.25 Acciones condicionadas 73 Figura III.26 Acciones temporizadas o retardadas 73 Figura III.27 Grafcet de Nivel 1 74 Figura III.28 Grafcet de Nivel 2 75 Figura III.29 Grafcet de Nivel 3 76 Figura IV.30 Partes del PLC WAGO 750-842 79 Figura IV.31 Controlador Fieldbus 80 Figura IV.32 Instalación de cables 82 Figura IV.33 Instalación de I O Pro 83 Figura IV.42 Estaciones MPS 88 Figura IV.43 Estación de Distribución MPS 200 89 Figura IV.44 Placa de aluminio 90 Figura IV.45 Modulo almacen apilador 91 Figura IV.46 Módulo cambiador 91 Figura IV.47 Aspirador 92 Figura IV.48 Terminal E/S 92 Figura IV.49 Vacuóstato 93 Figura IV.50 Válvula de cierre 94 Figura IV.51 Herramientas 94 Figura IV.52 Fuente de alimentación 95
- 12 -
Figura IV.53 Mesa Rodante 96 Figura IV.54 Consola de control 97 Figura IV.55 Juego de piezas cilíndricas 98 Figura V.56 Diagrama Grafcet Nivel 1 y Nivel 3 102 Figura V.57 Diagrama ladder de Grafcet Nivel 1 102 Figura V.58 Diagrama Grafcet demo 103 Figura V.59 Diagrama Ladder demo 104 Figura V.60 Grafcet Nivel 1 Semáforo 105 Figura V.61 Grafcet Nivel 2 Semáforo 106 Figura V.62 Grafcet Nivel 3 Semáforo 107 Figura V.63 Ladder Semáforo 108 Figura V.64 Ladder Semáforo en programa WAGO 109 Figura V.65 Grafcet Nivel 1 Estación de distribución 112 Figura V.66 Grafcet Nivel 2 Estación de distribución 113 Figura V.67 Grafcet Nivel 3 Estación de distribución 115 Figura V.68 Ladder Estación de distribución 117 Figura V.69 Ladder Estación de distribución en programa WAGO 118 Figura V.70 Ladder Estación de distribución con controles
adicionales 120
Figura V.71 Grafcet Nivel 1 Semáforo 123 Figura V.72 Grafcet Nivel 2 Semáforo 124 Figura V.73 Grafcet Nivel 2 de Semáforo en programa WAGO 124 Figura V.74 Lenguaje ladder en transición de tiempo 125 Figura V.75 Grafcet Nivel 2 Semáforo con controles 126 Figura V.76 Grafcet Nivel 1 Estación de distribución 127 Figura V.77 Grafcet Nivel 2 Estación de distribución 128 Figura V.78 Grafcet Nivel 2 Estación de distribución en programa
WAGO 129
Figura V.79 Grafcet Nivel 2 Estación de distribución con controles 130 Figura V.80 Comparación gráfica de tiempos entre las
metodologías 134
Figura V.81 Gráfico estadístico del conocimiento 135 Figura V.82 Gráfico estadístico de la rapidez 136 Figura V.83 Gráfico estadístico de la Confiabilidad 137 Figura V.84 Gráfico estadístico de las categorías 138
- 13 -
INDICE DE TABLAS
Tabla II.I Países participantes en Mecatrónica 30 Tabla III. II Tipos de Variables 55 Tabla III. III Ejemplos de direcciones de memoria 56 Tabla III. IV Elementos del Diagrama Ladder 57 TABLA III.V Elementos Básicos Ladder 59 Tabla III.VI Operadores del Diagrama Ladder 61 Tabla III.VII Elementos grafcet de programación 67 Tabla V.VIII Tabla de asignaciones – Semáforo 106 Tabla V.IX Tabla de asignaciones – Estación de distribución 114 Tabla V.X Elementos grafcet de programación 122 Tabla V.XI Operacionalización Conceptual de Variables 132 Tabla V.XII Operacionalización Metodológica de Variables 132 Tabla V.XIII Escala de valores 133 Tabla V.XIV Cuadro comparativo de la variable independiente 133 Tabla V.XV Cuadro comparativo del conocimiento 134 Tabla V.XVI Cuadro Comparativo de la velocidad 135 Tabla V.XVII Cuadro comparativo de la confiabilidad 136 Tabla V.XVIII Tabla comparativa de las categorías 137
- 14 -
INTRODUCCION
En la actualidad ya no es una excepción que tanto en el campo industrial como
en el campo educativo se hable de transformar los procesos manuales en
procesos automáticos. Sin embargo es importante contar con estándares de
automatización que permitan realizar dichas transformaciones.
La Ingeniería de la Automatización Industrial ha efectuado un enorme progreso
en las últimas décadas. Elementos de hardware cada día más potentes, la
incorporación de nuevas funcionalidades, y el desarrollo de las redes de
comunicación industriales, permiten realizar excelentes sistemas de
Automatización Industrial en tiempos mínimos.
Cabe indicar que en el campo educativo, se ha estado capacitando por algunos
años a los jóvenes para que alcancen la excelencia en automatizar procesos
en un tiempo mínimo, y con ese fin WorldSkills Internacional ha sido la pionera
en alcanzar dichos objetivos.
Sin embargo la programación secuencial sigue siendo larga de ejecutar con los
diferentes pasos que se debe cumplir para poder automatizar cualquier equipo,
y es por ello que se dará una metodología de programación que reduzca aun
más los tiempos de programación.
- 15 -
CAPÍTULO I
1. MARCO REFERENCIAL
1.1. Antecedentes
La necesidad de automatizar procesos viene desde hace mucho tiempo,
aunque se da mayor importancia en el siglo XX con la aparición del ordenador
o computador en la década de 1960, y de ahí la creación de mecanismos
sensoriales para recepción de datos y mecanismos actuadores de procesos.
De hecho la automatización como una disciplina de la ingeniería es más amplia
que un mero sistema de control, abarca la instrumentación industrial, que
incluye los sensores y transmisores de campo, los sistemas de control y
supervisión, los sistema de transmisión y recolección de datos y las
aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las
operaciones de plantas o procesos industriales.
- 16 -
Podemos decir que, como consecuencia a este hecho nace la Mecatrónica,
término que fue utilizado como tal en Japón a principios de los años ochenta´s
y comenzó a ser usado en Europa y USA un poco después. Hoy en día la
Mecatrónica es un término que une distintas tecnologías – mecánica,
electrónica y programación – para crear procesos secuenciales.
A su vez con el paso del tiempo, se ha ido ampliando y perfeccionando la
Mecatrónica mediante el concurso de habilidades y destrezas WorldSkills que
busca promover el intercambio entre jóvenes profesionales de varias regiones
del mundo, intercambio de habilidades, experiencias e innovaciones
tecnológicas y despertar el espíritu deportivo en los profesionales.
La ESPOCH ha sido la pionera en promover la especialización a sus
estudiantes y en el campo de la Mecatrónica no ha sido la excepción. En el
año 2007 fueron invitados por World Skills Internacional con el auspicio de la
empresa TECHNA.
Sin embargo como primera experiencia vivida, requerían de una metodología
de programación que ayude a aprovechar al máximo el tiempo en cuanto a
programación secuencial se refiere y es por ello que en este trabajo se propone
dicha metodología aplicada al laboratorio de Automatización Industrial de la EIS
en la ESPOCH.
- 17 -
1.2. Justificación
1.2.1. Justificación teórica
Tanto la Automatización Industrial como la Mecatrónica ha evolucionado a un
ritmo acelerado, y la ESPOCH como Institución educativa ha procurado incluir
como materia en las respectivas Escuelas según su malla curricular.
Dentro de la ejecución de procesos ya sea de automatización industrial como
mecatrónicos, al programar cualquier PLC’s normalmente se realizan los
siguientes pasos: plantear una secuencia de instrucciones, usar la
representación gráfica, definir las ecuaciones necesarias, establecer la lista de
asignaciones y ejecutar el programa, lo cual conlleva un considerable tiempo.
Normalmente existen instrucciones de programación que son muy
generalizadas, lo cual en muchos casos confunden en vez de entender y
programar el PLC’s. El presente trabajo investigativo pretende complementar
de una manera clara y entendible cómo programar y más aún, hacerlo en un
tiempo mínimo de tal modo que pueda fácilmente aplicarlo a cualquier proyecto
mecatrónico.
Esta información también servirá de herramienta evaluativa en caso que el
programador requiera aplicar cualquier proceso secuencial y ejecutarlo en el
PLC que esté más familiarizado y con el lenguaje de programación apropiado.
- 18 -
También a los docentes que cada vez conocen más del tema será provechoso
disponer de un manual de consulta para las clases de Automatización Industrial
y Mecatrónica, logrando llegar al estudiante y así fomentar el estudio y la
investigación de programación de PLC ya sea en automatización industrial o
mecatrónica.
1.2.2. Justificación Práctica Aplicativa
Los estudiantes desean profesionalizarse y alcanzar estándares de excelencia
en cualquier campo, y en el campo de la mecatrónica no es la excepción.
Recientemente se está difundiendo en nuestro país las competencias de
habilidades y destrezas WorldSkills debido a que la empresa TECNA fue
aceptada en representación de Ecuador como parte del equipo WorldSkills.
En el 2007 tuvieron su primera experiencia los estudiantes y su entrenador en
Shizuoka – Japón, y en cuanto a ensamblaje del equipo les fue bien, pero en
cuanto a la programación hubo demoras hasta realizar las respectivas pruebas,
aunque no existe límite de tiempo en el concurso para que se cumpla el
objetivo de armar y funcionar determinadas MSP.
La Propuesta Metodológica para la programación de PLC en Grafcet permitirá
reducir dichos tiempos y más aún si lo aplicamos a las competencias de
Mecatrónica WorldSkills en los cuales se debe cumplir objetivos en el menor
tiempo posible.
- 19 -
En competencias de Mecatrónica auspiciadas por FESTO, las reglas de
competencia dan enfoque en el funcionamiento de las diferentes MPS
entregadas a los equipos aplicando los estándares en cuanto a instalación
hardware se refiere, pero en cuanto a software es criterio propio del equipo de
trabajo. Es por ello que se puede lograr optimizar los tiempos de programación
mediante el uso del Grafcet como lenguaje.
También en el laboratorio de la ESPOCH se podrá notar la diferencia
especialmente en casos de estudio donde esté involucrado muchas tareas.
Por tanto, las competencias World Skills son una buena plataforma para tener
experiencia en el campo de la Mecatrónica, y para los estudiantes que
participan en la misma esta investigación de tesis será una buena herramienta
de trabajo en cuanto a optimización de tiempos se refiere.
También a los docentes que cada vez conocen más del tema será provechoso
disponer de un manual de consulta para las clases de Automatización Industrial
y Mecatrónica. El presente proyecto de tesis nos permitirá plasmar todos los
conocimientos adquiridos en clase y servirá con fines de aprendizaje para los
estudiantes, ya que muchos de ellos desearán alcanzar la excelencia en la
optimización de recursos y tiempo, y como premio a su esfuerzo tener mejores
oportunidades de trabajo ya que no solamente se requiere en nuestro medio
Ingenieros que estén capacitados en lo referente a la Automatización Industrial,
sino también que sean los mejores.
- 20 -
Figura I.1. Equipo de competencia WorldSkills Ecuador.
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo General
Realizar una propuesta metodológica para la programación de PLC’s en
grafcet para las competencias de Mecatrónica World Skills con un
tiempo de programación mínimo.
1.3.2. Objetivos Específicos
• Reconocer los diferentes elementos hardware usados en
competencias de World Skills para establecer secuencias de
programación.
• Definir mecanismos de comunicación de componentes para la
implementación de los equipos mecatrónicos.
• Analizar los diferentes métodos de programación de PLC’s para la
evaluación de tiempos de programación.
- 21 -
• Determinar varios software para PLC’s. como herramientas de
programación para implantar el lenguaje Grafcet.
• Determinar las ventajas y los resultados para la implementación
metodológica de programación de PLC’s.
1.4. Hipótesis
“El diseño de una propuesta metodológica de programación de PLC’s en
Grafcet para las competencias de Mecatrónica World Skills permitirá disminuir
el tiempo de programación de procesos secuenciales”
- 22 -
CAPÍTULO II
2. MARCO TEORICO
2.1. Competencias WorldSkills International
WorldSkills Internacional constituye un medio único de intercambio y
comparación de las normas de competencia de clase mundial en los oficios
industriales y de servicios de la economía mundial.
El crecimiento continuo de WorldSkills Internacional atestigua el hecho de que
el comercio tradicional y las habilidades artesanales, junto con las vocaciones,
nueva tecnología polivalente, hacen una contribución esencial al desarrollo
económico y el bienestar social de los pueblos en todas partes.
En forma independiente y no político, WorldSkills International proporciona un
medio rentable para el gobierno y la cooperación internacionales de la industria
en el logro de estándares más altos y la situación de la educación y la
formación profesional a nivel mundial.
- 23 -
2.2. Objetivos
Los objetivos que persigue WorldSkills International son:
• Colocar a las competencias WorldSkills como el evento mundial de
primera para el reconocimiento y la promoción de habilidades
• Desarrollar una nueva identidad moderna y una estructura flexible para
apoyar las actividades globales de WorldSkills Internacional.
• Desarrollar alianzas estratégicas con determinados, gobierno corporativo
y las organizaciones no gubernamentales para promover los objetivos de
WorldSkill Internacional.
• Difundir información y compartir conocimientos sobre las normas de la
habilidad y el rendimiento de referencia de WorldSkills, especialmente a
través de la World Wide Web.
• Facilitar la creación de redes entre WorldSkills Internacional de Expertos
para desarrollar nuevas oportunidades para el desarrollo de habilidades
y la innovación.
• Favorecer la transferencia de habilidades, conocimientos y el
intercambio cultural entre los participantes en WorldSkills y otros jóvenes
de todo el mundo.
- 24 -
2.3. Reglas de competencia
En cada competencia promocionada por WorldSkills en cualquier parte del
mundo, elaboran sus reglas para los participantes, tanto a nivel de alumnos,
como entrenadores, etc. En el apéndice veremos con más detalle un modelo de
dichas reglas.
Por lo general, existen reglas aplicadas tanto a competidores, como jueces y
expertos en el área en el cual están demostrando las habilidades.
2.4. Categorías y Habilidades
En WorldSkills se ha logrado establecer diferentes categorías de formación
profesional y cada categoría dispone de un determinado número de
habilidades. Las categorías son:
• Transporte y Logística
La categoría "Transporte y Logística" cubre todos los ámbitos calificados
que están relacionados con el mundo del transporte. Esto incluye la
creación, reparación y mantenimiento de los vehículos de transporte.
• Construcción y Tecnología de la Construcción
La categoría "Construcción y Tecnología de la Construcción", cubre
todos los ámbitos calificados que están relacionados con el mundo de la
- 25 -
construcción. Esto abarca todo, desde los cimientos, la construcción,
acabados y mantenimiento de todo tipo de edificios.
• Fabricación y Tecnología de la Ingeniería
La categoría “Fabricación y Tecnología de la Ingeniería” cubre todos los
ámbitos calificados que están relacionados con el desarrollo industrial y
la creación.
Esto abarca desde el diseño, creación, fabricación y mantenimiento de
cualquier cosa que implica la electrónica y las máquinas.
• Tecnología de Información y Comunicación
La categoría "Información y Tecnología de la Comunicación" cubre todos
los ámbitos calificados que están relacionados con los servicios de
información. Esto abarca desde la creación y mantenimiento de redes
para el desarrollo y acabado de tecnologías de la información.
• Arte Creativo y Moda
La categoría "Arte Creativo y de moda" cubre todos los ámbitos
calificados que están relacionados con las artes plásticas y diseño de
moda y la creación. Esto abarca todo, desde varios medios de
comunicación, la decoración interior creativo y la moda.
• Sociales y Servicios Personales
La categoría "Social y Servicios Personales" cubre todos los ámbitos
calificados que están relacionados con la industria de servicios. Esto
incluye servicios relacionados con la industria de bebidas y alimentos,
así como la hospitalidad y el cuidado personal.
- 26 -
2.4.1. Habilidades Oficiales de Competencia.
Dentro de cada categoría se demuestran las habilidades oficiales de
competencia, las mismas que han ido aumentando con el tiempo. Estas son:
� Transporte y Logística
• Mantenimiento de Aeronaves
• Reparación de Carrocerías
• Tecnología del automóvil
• Pintura de coches
� Construcción y Tecnología de la Construcción
• Albañíleria
• Ebanistería
• Carpintería
• Instalaciones electricas
• Carpintería
• Jardinería Paisajista
• Cubiertas de metal
• Pintura y decoración
• Revestimiento de yeso y Sistemas de Yeso
• Servicios de fontanería y calefacción
• Refrigeración
• solados y alicatados
� Fabricación y Tecnología de la Ingeniería
• Fresado CNC
• Torno CNC
- 27 -
• Trabajos de construcción de metal
• Modelos creativos
• Electrónica
• Control Industrial
• Fabricación de Equipo Desafío
• Ingeniería de Diseño Mecánico – CAD
• Mecatrónica
• Robotica Movil
• Fabricación de moldes
• Automatización de poli mecánicos
• Hoja de Tecnólogos de metal
• Soldadura
� Tecnología de Información y Comunicación
• Red de Información de Cableado
• IT/ PC Red de Apoyo
• IT software de aplicaciones
• Impresión Offset
• Diseño Web
� Arte Creativo y Moda
• Tecnología de la Moda
• Floristería
• Tecnología del Diseño Gráfico
• Joyería
• Comerciante Visual
- 28 -
� Sociales y Servicios Personales
• Pelo afro-caribeña
• Terapia de belleza
• Cuidado
• Pastelero
• Cocina
• Damas y Caballeros de peluquería
• Servicio de restaurante
Es interesante notar que la Habilidad Oficial de Mecatrónica está dentro de la
categoría Fabricación y Tecnología de la Ingeniería .
2.4.2. Habilidades de Demostración.
Las habilidades de demostración cumplen un fin complementario en las
competencias WorldSkills puesto que no están en la lista de competencias para
ser calificadas y más bien son de tipo educativo. Esto sucede cuando cierta
habilidad no tiene un determinado número mínimo de países participantes para
convertirse en una habilidad de competencia.
2.4.3. Habilidades del Miembro Anfitrión.
Con respecto a las habilidades del miembro anfitrión, cada país que organiza
las competencias WorldSkills tiene un determinado número de habilidades de
demostración que han desarrollado los jóvenes locales, dando realce al evento.
- 29 -
2.5. La Mecatrónica en WorldSkills
Mecatrónica es una tecnología híbrida que cubre los campos de la ingeniería
mecánica, electrónica e informática Los alcances de la mecatrónica incluye
productos tales como lap top, cámara de video grabación, o maquinas
expendedoras de boletos en estacionamientos públicos o puertas de acceso en
aeropuertos por mencionar algunos.
Figura II.2 Relación de la Mecatrónica con otras ciencias
A manera de realizar un aprendizaje y mejoramiento continuo, los especialistas
en mecatrónica deben trabajar en equipo, para lo que se requiere personal
altamente calificado y habilidades de integración social. Mientras que al final el
patrón o dueño espera que el especialista de mecatrónica como un individuo
que domina todas las tecnologías necesarias, esta funcionando dentro de un
buen ambiente con grupo motivado que facilita la difusión de conocimientos e
ideas. Este ambiente permite a los especialistas auto desarrollar sus
habilidades a un nivel mucho más lejos del nivel que se pudiera obtener
mediante un entrenamiento convencional.
- 30 -
Poco a poco se han integrado algunos países para perfeccionar en el campo
de la mecatrónica, tal como se muestra en la siguiente tabla.
Tabla II.I Países participantes en Mecatrónica
Dentro de poco tendremos una generación que priorice la automatización de
procesos secuenciales en diferentes campos.
2.5.1. Condiciones generales de competencia
Mecatrónica tiene la ventaja que puede ser evaluada al 100 % con un criterio
objetivo, en donde los principales objetivos son funcionamiento y tiempo . Lo
anterior significa que el sistema de evaluación es transparente para todos –
- 31 -
competidores, expertos y visitantes – lo que deduce una competencia justa. Por
otra parte, los resultados están disponibles inmediatamente cuando el equipo ha
terminado, lo que origina emoción en los asistentes al evento.
Los competidores trabajan y son evaluados en grupos de dos personas. Esto
refleja la tendencia de la organización del trabajo en muchos países. Mientras
las competencias sociales y personales no son evaluadas de manera separada,
son esenciales para un excelente desempeño y obtener un buen resultado. Los
resultados se muestran al término de cada sección.
Como es sabido de todos el PLC se ha convertido en una herramienta
indispensable en los sistemas mecatrónicos, razón por la cual los competidores
pueden traer su propio PLC y el software necesario para programarlo, tomando
en cuenta que las ventajas o desventajas que esto tenga dependerán del equipo
seleccionado
- 32 -
CAPÍTULO III
3. SISTEMAS DE PROGRAMACION
3.1. Introducción al PLC
Los controladores lógicos programables o PLC (Programmable Logic
Controller) son dispositivos electrónicos muy usados en automatización
industrial. Su historia se remonta a finales de la década de 1960, cuando la
industria buscó en las nuevas tecnologías electrónicas una solución más
eficiente para reemplazar los sistemas de control basados en circuitos
eléctricos con relés, interruptores y otros componentes comúnmente utilizados
para el control de los sistemas de lógica combinacional.
Hoy en día, los PLC's no sólo controlan la lógica de funcionamiento de
máquinas, plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar
operaciones aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategias
de control, tales como controladores PID (Proporcional Integral y Derivativo).
- 33 -
Los PLC's actuales pueden comunicarse con otros controladores
y computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los
modernos sistemas de control distribuido.
3.2. Componentes básicos de un PLC
La estructura básica de cualquier autómata es la siguiente.
• CPU
• Memoria del autómata
• Interfaces de E/S
• Fuente de alimentación
Figura III.3 Diagrama de bloques del PLC
3.2.1. CPU
La Unidad Central de Procesos es el auténtico cerebro del sistema. Se encarga
- 34 -
de recibir las ordenes, del operario por medio de la consola de programación y
el modulo de entradas. Posteriormente las procesa para enviar respuestas al
módulo de salidas. En su memoria se encuentra residente el programa
destinado a controlar el proceso
La CPU es el corazón del autómata programable. Es la encargada de ejecutar el
programa de usuario mediante el programa del sistema (es decir, el programa
de usuario es interpretado por el programa del sistema).
Sus funciones son:
• Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no excede un
determinado tiempo máximo (tiempo de ciclo máximo). A esta función se
le suele denominar Watchdog (perro guardián).
• Ejecutar el programa de usuario.
• Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no
debe acceder directamente a dichas entradas.
• Renovar el estado de las salidas en función de la imagen de las mismas
obtenida al final del ciclo de ejecución del programa de usuario
• Chequeo del sistema.
3.2.2. Memoria del Autómata
Dentro de la CPU vamos a disponer de un área de memoria, la cual
emplearemos para diversas funciones:
- 35 -
• Memoria del programa de usuario: aquí introduciremos el programa que
el autómata va a ejecutar cíclicamente.
• Memoria de la tabla de datos: se suele subdividir en zonas según el tipo
de datos (como marcas de memoria, temporizadores, contadores, etc.).
• Memoria del sistema: aquí se encuentra el programa en código máquina
que monitorea el sistema (programa del sistema o firmware). Este
programa es ejecutado directamente por el
microprocesador/microcontrolador que posea el autómata.
• Memoria de almacenamiento: se trata de memoria externa que
empleamos para almacenar el programa de usuario, y en ciertos casos
parte de la memoria de la tabla de datos. Suele ser de uno de los
siguientes tipos: EPROM, EEPROM, o FLASH.
Figura III.4 Memorias de un PLC
Cada autómata divide su memoria de esta forma genérica, haciendo
subdivisiones específicas según el modelo y fabricante, tal como se muestra en
la Fig. III.4.
- 36 -
Físicamente las memorias constituyen elementos electrónicos que hacen
posible usar imágenes de datos como entradas, salidas, temporizadores,
contadores, etc. Mas adelante veremos la manera de acceder a dichos datos
usando la sintaxis que ha implantado el estándar IEC 61131-3.
3.2.3. Interfaces de E/S
Sección de entradas: se trata de líneas de entrada, las cuales pueden ser de
tipo digital o analógico. En ambos casos tenemos unos rangos de tensión
característicos, los cuales se encuentran en las hojas de características del
fabricante. A estas líneas conectaremos los sensores.
Sección de salidas: son una serie de líneas de salida, que también pueden ser
de carácter digital o analógico. A estas líneas conectaremos los actuadores.
Tanto las entradas como las salidas están aisladas de la CPU según el tipo de
autómata que utilicemos. Normalmente se suelen emplear opto acopladores en
las entradas y relevadores/optoa copladores en las salidas.
A este módulo se unen eléctricamente los sensores (interruptores, finales de
carrera, pulsadores,...). La información recibida en él, es enviada a la CPU para
ser procesada de acuerdo la programación residente.
Se pueden diferenciar dos tipos de captadores conectables al módulo de
entradas: los Pasivos y los Activos.
- 37 -
Los Captadores Pasivos son aquellos que cambian su estado lógico, activado -
no activado, por medio de una acción mecánica. Estos son los Interruptores,
pulsadores, finales de carrera, etc.
Los Captadores Activos son dispositivos electrónicos que necesitan ser
alimentados por una tensión para que varíen su estado lógico. Este es el caso
de los diferentes tipos de detectores (Inductivos, Capacitivos, Fotoeléctricos).
Muchos de estos aparatos pueden ser alimentados por la propia fuente de
alimentación del autómata.
Las condiciones de entrada se almacenan en una parte de la memoria del
procesador denominada archivo de imágenes de entrada. Esto es que cada
terminal del modulo de entrada tiene su lugar dentro del archivo de imágenes
de entrada, y este lugar solo sirve para guardar el ultimo registro de estado de
un terminal de entrada (1 logico o HI 0 logico o LO) High input o Low output
Las condiciones de salida se almacenan de manera similar en el archivo de
imágenes de salida, y cuya función es idéntica al archivo de imágenes de
entrada. La única diferencia es el flujo de informaciñon, mientras que en la
salida, el flujo es del archivo de imágenes de salida al módulo de salida; en la
entrada el flujo es del modulo de entrada al archivo de imágenes de entrada.
Cada terminal de entrada o salida, tiene su lugar el archivo de imágenes
correspondiente, ubicados en localidades e identificados respectivamente por
- 38 -
direcciones, el sistema de direcciones para cada terminal salida y entrada varía
según el fabricante para el PLC, por ejemplo una terminal de entrada se
denomina I1.0 y una terminal de salida se denomina Q2.0
Figura III.5 Componentes de un PLC
3.2.4. Fuente de alimentación
Es la encargada de convertir la tensión de la red, 117 v c.a. ó 220v c.a., a
baja tensión de c.c, normalmente 24 v. Siendo esta la tensión de trabajo en los
circuitos electrónicos que forma el Autómata.
3.3. Lenguajes de programación
Los lenguajes de programación son necesarios para la comunicación entre el
usuario, sea programador u operario de la máquina o proceso donde se
encuentre el PLC y el PLC. La interacción que tiene el usuario con el PLC la
puede realizar por medio de la utilización de un cargador de programa también
reconocida como consola de programación o por medio de un PC.
- 39 -
En procesos grandes o en ambientes industriales el PLC recibe el nombre
también de API (Autómata Programable Industrial) y utiliza como interfase para
el usuario pantallas de plasma, pantallas de contacto (touch screen) o sistemas
SCADA (sistemas para la adquisición de datos, supervisión, monitoreo y control
de los procesos).
Para que la forma de programación sea unforme y entendible, existe un
organismo internacional de programación y especialmente en el campo
Mecatrónico que ha establecido estándares
3.4. Clasificación
Los lenguajes de programación para PLC son de dos tipos, visuales y escritos.
Los visuales admiten estructurar el programa por medio de símbolos gráficos,
similares a los que se han venido utilizando para describir los sistemas de
automatización, planos esquemáticos y diagramas de bloques. Los escritos son
listados de sentencias que describen las funciones a ejecutar.
Los programadores de PLC poseen formación en múltiples disciplinas y esto
determina que exista diversidad de lenguajes. Los programadores de
aplicaciones familiarizados con el área industrial prefieren lenguajes visuales,
por su parte quienes tienen formación en electrónica e informática optan,
inicialmente por los lenguajes escritos.
- 40 -
3.5. Niveles de los Lenguajes
Los lenguajes de programación de sistemas basados en microprocesadores,
como es el caso de los PLC, se clasifican en niveles; al microprocesador le
corresponde el nivel más bajo, y al usuario el más alto.
3.5.1. Lenguajes de Bajo Nivel
Lenguaje de Máquina: Código binario encargado de la ejecución del programa
directamente en el microprocesador.
Lenguaje Ensamblador: Lenguaje sintético de sentencias que representan cada
una de las instrucciones que puede ejecutar el microprocesador. Una vez
diseñado un programa en lenguaje ensamblador es necesario, para cargarlo en
el sistema, convertirlo o compilarlo a lenguaje de máquina. Los programadores
de lenguajes de bajo nivel deben estar especializados en microprocesadores y
demás circuitos que conforman el sistema.
3.5.2. Lenguajes de Alto Nivel
Se basan en la construcción de sentencias orientadas a la estructura lógica de
lo deseado; una sentencia de lenguaje de alto nivel representa varias de bajo;
cabe la posibilidad que las sentencias de un lenguaje de alto nivel no cubran
todas las instrucciones del lenguaje de bajo nivel, lo que limita el control sobre
la máquina. Para que un lenguaje de alto nivel sea legible por el sistema, debe
traducirse a lenguaje ensamblador y posteriormente a lenguaje de máquina.
- 41 -
3.6. El Estándar IEC
3.6.1. Definición
La normalización o estandarización es la redacción y aprobación de
normas que se establecen para garantizar el acoplamiento de elementos
construidos en forma independiente de tal modo que exista intercomunicación
tanto a nivel de hardware como a nivel de software.
En el campo de la Automatización Industrial y la Mecatrónica, el organismo que
establece los estándares es la Comisión Electrotécnica Internacional (o IEC por
sus siglas en inglés, International Electrotechnical Commission); organización
de normalización dedicada en los campos eléctrico, electrónico y tecnologías
relacionadas. En 1938, el organismo publicó el primer diccionario internacional
(International Electrotechnical Vocabulary) con el propósito de unificar la
terminología eléctrica, esfuerzo que se ha mantenido durante el transcurso del
tiempo, siendo el Vocabulario Electrotécnico Internacional un importante
referente para las empresas del sector. A continuación analizaremos el
estándar IEC 61131 para la programación de PLC.
3.6.2. IEC 61131
El estándar internacional IEC 61131 es una colección completa de estándares
referentes a controladores programables y sus periféricos asociados. Consiste
de las siguientes partes:
• Parte 1: Información general
- 42 -
• Parte 2: Requisitos del equipo y pruebas
• Parte 3: Los lenguajes de programación
• Parte 4: Guía del usuario
• Parte 5: Especificación del servicio de mensajería
• Parte 6: Comunicaciones a través de bus de campo
• Parte 7: Control difuso de programación
• Parte 8: Directrices para la aplicación e implementación de lenguajes de
programación
� Parte1: Información General
Establece las definiciones e identifica las principales características
significativas a la selección y aplicación de los controladores
programables y sus periféricos asociados.
� Parte 2: Requerimientos del equipo y pruebas
Especifica los requisitos del equipo y pruebas relacionadas para los
controladores programables (PLC) y sus periféricos asociados.
� Parte 3: Lenguajes de Programación
Define como un conjunto mínimo, los elementos básicos de
programación. Reglas sintácticas y semánticas para los lenguajes de
programación usados más comúnmente, incluyendo los lenguajes
gráficos de Diagrama de Escalera y Diagrama de Bloques de Funciones
y los lenguajes textuales de Lista de Instrucciones y Texto estructurado;
así como sus principales campos de aplicación, pruebas aplicables y los
medios por los cuales los fabricantes pueden expandir o adaptar esos
- 43 -
conjuntos básicos a sus propias implementaciones de controlador
programable.
� Parte 4: Guías de Usuario.
Un reporte técnico que proporciona una vista general y guías de
aplicación del estándar para los usuarios finales de los controladores
programables.
� Parte 5: Especificación del servicio de Mensajería.
Define la comunicación de datos entre controladores programables y
otros sistemas electrónicos usando el “Manufacturing Message
Specification” (MMS, acorde al ISO/IEC 9506).
� Parte 6: Comunicaciones a través de bus de campo.
Proporciona información referente a la comunicación por medio de
Fieldbus o bus de campo. Consiste en un sistema de redes industriales
de control distribuido de tiempo real y puede adoptar diferentes
estructuras de red (cadena,, estrella, anillo, ramas, árboles y topologías
de red)
� Parte 7: Programación en lógica difusa.
Define los elementos básicos de programación de “lógica difusa” para su
uso en Controladores programables. Esto está relacionado en
inteligencia artificial y sistemas expertos en los cuales las decisiones
tomadas por el PLC se asemejan al mundo real.
- 44 -
� Parte 8: Guías para aplicación e implementación de lenguajes de
programación.
Proporciona una guía para los desarrolladores de software referente a
los lenguajes de programación definidos en la parte 3.
3.7. Estándar de programación IEC 61131-3
IEC 61131-3 es el primer esfuerzo real para estandarizar los lenguajes de
programación usados en para la automatización industrial. Con su soporte
mundial, es independiente de una sola compañía. Esta parte de programación,
es la tercera del estándar 61131.
Una forma conveniente de verlo, es dividiendo el estándar en 2 partes:
� Elementos Comunes.
� Lenguajes de Programación.
Figura III.6 Estandar IEC
- 45 -
3.8. Elementos Comunes
3.8.1. Tipos de Datos
Dentro de los elementos comunes se definen los tipos de datos. La tipificación
de los datos previene errores en una etapa temprana. Se usa para definir el
tipo de cualquier parámetro usado. Esto evita que por ejemplo se divida una
fecha entre un entero.
Los tipos de datos comunes son: Boolean, Integer, Real, Byte y Word. También
Date, Time_of_Day y String. Basado en ellos, uno puede definir sus propios
tipos de datos, llamados “tipos de datos derivados”.
3.8.2. Variables.
Las variables son únicamente asignadas a direcciones de hardware explicitas
(por ejemplo entradas y salidas) en la configuración, recursos o programas. De
esta manera se le da a los programas una independencia de alto nivel del
hardware, soportando el re-uso del software.
El enfoque (visibilidad) de las variables es normalmente limitado a la unidad de
organización en la cual son declaradas (por ejemplo: local). Esto significa que
sus nombres pueden ser usados nuevamente sin ningún conflicto en otras
partes, eliminando otra fuente de errores. Si las variables requieren un alcance
global, deben ser declaradas como tales. Los parámetros pueden recibir un
valor inicial al arranque y al reinicio “en frió”, con objeto de asegurar su valor
correcto al inicio de la ejecución de los programas.
- 46 -
3.8.3. Configuración, recursos y tareas.
Para entender mejor esto, es conveniente ver el modelo de software, tal como
se define en la siguiente figura.
Figura III.7 Configuración y tareas de un PLC
Al nivel mas alto, el software completo que se requiere para solucionar un
problema de control particular puede ser formulado como una configuración.
Una configuración es específica a un sistema de control particular, incluyendo
el arreglo del hardware, recursos de procesamiento, direcciones de memoria
para los canales de entrada/salida y otras capacidades del sistema.
Dentro de una configuración, se pueden definir una o más tareas. Estas tareas
controlan la ejecución de un conjunto de programas y/o bloques de función. Las
- 47 -
tareas pueden ser ejecutadas periódicamente o a la ocurrencia de algún evento
disparador, por ejemplo el cambio en una variable.
Los programas están constituidos por diferentes elementos de software escritos
en cualquiera de los lenguajes definidos por IEC. Típicamente un programa
consiste de una red (network) o funciones y bloques de función que son
capaces de intercambiar datos. Las funciones y los bloques de función son los
bloques de construcción básicos y contienen una estructura de datos y un
algoritmo.
Comparemos lo anterior con un PLC convencional: Este contiene recursos
corriendo una tarea, corriendo un programa. IEC 61131-3 le agrega a esto
mucho mas, haciéndolo abierto a mayores capacidades tales como
multiprocesamiento y conducción por sucesos.
3.8.4. Unidades de organización del programa.
La norma define tres formas distintas de “presentar” o crear programas de
control para PLCs, a saber:
• Funciones
• Bloques funcionales
• Programas
En IEC 61131-3 los Programas, Bloques de Función y Funciones son llamados
Unidades de Organización de Programa (program organization units o POUs).
- 48 -
3.8.4.1. Funciones
IEC define Funciones Estándar y Funciones Definidas por el Usuario. Las
funciones estándar son por ejemplo: ADD (suma), ABS (absoluto), SQRT
(cuadrado) SIN (seno), etc. Las funciones definidas por el usuario (basadas en
las funciones estándar), una vez definidas pueden ser re-usadas una y otra
vez.
3.8.4.2. Bloques de Función (Function Blocks FBs)
Los bloques funcionales son los equivalentes de los circuitos integrados
usados en electrónica, IC´s, que representan funciones de control
especializadas. Los FB´s contienen tanto datos como instrucciones,
pudiendo guardar los valores de dichas variables entre sucesivas ejecuciones
(que es una de las diferencias con las funciones). Se dice por tanto que los
FBs tienen “memoria”, característica que les confiere un gran potencial de uso.
Presentan una interfaz de entradas y salidas bien definida y un código interno
oculto, como un circuito integrado o una caja negra. De este modo, establecen
una clara separación entre los diferentes niveles de programadores o personal
de mantenimiento.
Un lazo de control de temperatura, o un PID es un excelente ejemplo de un
Bloque de Función. Una vez definido puede ser usado una y otra ves en el
mismo programa, en diferentes programas o en diferentes proyectos, es decir
son reusables.
- 49 -
Existen FB´s estándares como por ejemplo: biestables, detección de flancos,
contadores, etc.; así como definidos por el usuario, basados en los existentes,
obteniéndose así los Bloques de Función derivados.
Otra de las diferencias fundamentales con respecto a las funciones y que les
confiere gran potencia de uso, es la posibilidad de crear tantas copias como
se desee de un mismo FB. A cada copia se le llama instancia. Cada instancia
llevará asociado un identificador y una estructura de datos que contenga sus
variables de entrada, de salida e internas separada del resto de instancias.
3.8.4.3. Programas
La norma define un programa como el “conjunto lógico de todos los elementos
y construcciones que son necesarios para el tratamiento de señales que se
requiere para el control de una máquina o proceso mediante un PLC”. Es decir,
que un programa puede contener la declaración de tipos de datos, variables
e instancias de bloques funcionales junto con el conjunto de instrucciones
(código o programa propiamente dicho) necesario para llevar a cabo el
control deseado del proceso o máquina.
En resumen, un Programa es una Red de Funciones, Bloques de Función,
variables etc. el mismo que puede ser escrito en cualquiera de los lenguajes de
programación definidos en el estándar.
3.8.5. Herramienta de modelado SFC
El SFC – Sequential Function Chart – describe gráficamente el comportamiento
secuencial de un programa de control. El SFC estructura la organización
- 50 -
interna de un programa y ayuda a descomponerlo en partes más fácilmente
manejables, mientras mantiene la visión general.
Figura III. 8 Herramienta de modelado SFC
Por su estructura general, SFC proporciona un medio de comunicación o
entendimiento entre personas con diferentes especialidades. En el capitulo
siguiente veremos con más detalle las características y bondades de este
lenguaje.
3.9. Lenguajes de Programación
Dentro del estándar se definen 4 lenguajes de programación, los mismos que
poseen su sintaxis y semántica propia. Una vez que usted los aprendió, puede
aplicarlos a una gran cantidad de sistemas que están basados en estos
estándares. Los lenguajes son 2 de tipo textual y 2 de tipo grafico:
� Textuales:
• Lista de Instrucciones (Instruction List – IL)
• Texto estructurado (Structured Tex – ST)
- 51 -
� Gráficos:
• Diagrama de Bloques de Funciones (Function Block Diagram – FBD)
• Diagrama de Escalera (Ladder Diagram – LD)
Figura III.9 Tipos de lenguaje
En la figura superior, los cuatro programas describen la misma acción.
La elección del lenguaje de programación depende de:
• Los conocimientos del programador,
• El problema a tratar,
• El nivel de descripción del proceso,
• La estructura del sistema de control,
• La coordinación con otras personas o departamentos.
- 52 -
Los cuatros lenguajes están interrelacionados y permiten su empleo para
resolver conjuntamente un problema común según la experiencia del usuario.
3.9.1. IL
Lista de Instrucciones (IL) es el modelo de lenguaje ensamblador basado un
acumulador o pila simple; procede del alemán “Anweisungliste” (AWL)
3.9.2. ST
El lenguaje Texto estructurado (ST) es un lenguaje de alto nivel con
orígenes en el Ada, Pascal y ´C´. Puede ser utilizado para codificar
expresiones complejas e instrucciones anidadas mediante instrucciones para
bucles (REPEAT-UNTIL; WHILE-DO), ejecución condicional (IF-THEN-ELSE;
CASE), funciones (SQRT, SIN, etc.), etc. Este lenguaje resulta excelente para
la definición de bloques de función complejos que pueden ser usados en
cualquiera de los otros lenguajes.
3.9.3. FBD
El Diagramas de Bloques Funcionales (FBD) es muy común en
aplicaciones que implican flujo de información o datos entre componentes
de control. Las funciones y bloques funcionales aparecen como circuitos
integrados y es ampliamente utilizado en Europa.
- 53 -
3.9.4. LD
El Diagrama de escalera (LD) también conocido como “lenguaje de
contactos” tiene sus orígenes en los Estados Unidos. Está basado en la
representación gráfica de la lógica de relés (automatismos eléctricos).
Figura III.10 Diagrama Ladder
3.10. Memoria de Datos
En términos generales, dentro de los PLC existe una unidad de memoria de
datos, el mismo que se divide en dos partes:
• Área de datos
• Objetos
� El área de datos contiene
� V : Memoria de variables
� I : Imagen de proceso de las entradas
� Q: imagen de proceso de las salidas
- 54 -
� M; Marcas internas
� SM: marcas especiales
� Los objetos pueden ser
• T: temporizadores
• C: Contadores
• AI: entradas analógicas
• AC: Acumuladores
• HSC: Valores actuales de los contadores rápidos
Figura III.11 Memoria de datos
3.11. Direccionamiento
La estructura de direccionamiento para PLC básicamente está conformada por
un identificador de área, una dirección del byte y el número del bit; cuyo
formato se establece de la siguiente manera:
Identificador_área dirección_byte . dirección_bit
- 55 -
Gráficamente, sería lo siguiente:
Figura III.12 Formato de las direcciones de memoria
Esto significa que en memoria estoy utilizando el bit 5 del byte 2. Sin embargo,
para generalizar la sintaxis del direccionamiento de entradas, salidas y
memorias; en algunos PLC y sus respectivos programas el despliegue directo
de las células de memoria individual (direcciones absolutas) de acuerdo
con la IEC 61131-3, está representado mediante strings especiales como se
observa en la siguiente tabla.
Caracter Significado Observaciones % Carácter de inicio de
direcciones absolutas
I Q M
Entradas (Input) Salidas (Output) Memorias (Flag)
Prefijos de área de distribución
X* B W D
Bit simple Byte (8 bits) Word (16 bits) Double Word (32 bits)
Prefijo de tamaño en memoria
0.0 0.1 …….. 1.0 1.1 …….. ……………….
Direcciones (Según el tipo de dato que representan: X,B,W,D)
Direcciones de Byte y bit. Dependerá de las características que disponga el PLC.
* El caracter X para bits puede obviarse
Tabla III.II Tipos de Variables
- 56 -
Por tanto, para la declaración de datos tanto de entrada, salida y memoria se
denomina así: ( % I 0.0 ). La visualización directa de las posiciones de
memoria individual se realiza mediante el uso de secuencias de caracteres
especiales. Estas secuencias son una concatenación del signo de porcentaje
"%", un prefijo de identificador de área, un prefijo de tamaño y uno o más
números naturales separados por espacios en blanco.
Los siguientes prefijos de identificador de área son compatibles:
• I: O datos de entrada
• Q: O datos de salida
• M: O la localización de memoria
Los siguientes prefijos de tamaño son compatibles:
• X: de un solo bit
• B: Byte (8 bits)
• W: Word (16 bits)
• D: Double Word (32 bits). Si no existe ninguna letra, se considerará en
memoria un solo bit
Ejemplos:
Ejemplo Significado %QX7.5 y %Q7.5 Bit de salida 7.5 %IW215 Entrada de tipo Word 215 % QB7 Salida tipo Byte de 7 %MD48 Memoria tipo Double Word en la posición de
memoria 48 %IW2.5.7.1 Dependiendo de la configuración del PLC
Tabla III.III Ejemplos de direcciones de memoria
- 57 -
Tomemos en cuenta que los valores booleanos se asignarán byte a byte. Si no
hay una dirección explícita de un solo bit se debe especificar.
Ejemplo: Un cambio en el valor de una variable boolena %QW0 afecta el
rango de QX0.0 a QX0.7 que son de un solo bit, y producirá un error de tipo de
datos no compatibles.
3.12. Programación en Diagrama de Contactos (LD)
El lenguaje Ladder o Diagrama de contactos es un lenguaje gráfico, derivado
del lenguaje de relés. Mediante símbolos representa contactos, bobinas, etc.
Su principal ventaja es que los símbolos básicos están normalizados según el
estándar IEC y son empleados por todos los fabricantes.
Los símbolos básicos son:
CONTACTO NORMALMENTE ABIERTO
CONTACTO NORMALMENTE CERRADO
ASIGNACIÓN DE SALIDA
Tabla III.IV Elementos del Diagrama Ladder Un programa en lenguaje ladder es una serie de ramas de circuito. Una rama
(network) está compuesta de una serie de contactos, conectados en serie o en
- 58 -
paralelo, que dan origen a una salida (activación de una bobina o de una
función especial).
Figura III.13 Diagrama sencillo de Ladder
Las ramas de circuitos tienen origen en una barra vertical puesta a la izquierda
del diagrama. El flujo de la señal va de izquierda a derecha y de arriba abajo.
A una rama de circuito en LD corresponde una secuencia de instrucciones en
forma nemónica. Sin embargo, existen situaciones que no se pueden
implementar en lenguaje ladder:
• Una bobina no puede venir conectada directamente a la barra de inicio,
en tal caso es necesario interponer un contacto siempre cerrado.
• A la derecha de una bobina no es posible programar ningún contacto.
• El número de contactos posibles en serie o en paralelo es prácticamente
ilimitado.
3.12.1. Elementos Básicos
Para programar un autómata con LADDER, es necesario conocer cada uno de
los elementos de que consta este lenguaje. A continuación se describen de
modo general los más comunes.
- 59 -
Tabla III.V Elementos Básicos Ladder
Además existe una gran variedad de elementos adicionales como
temporizadores, contadores, operaciones lógicas, etc., su nomenclatura es muy
diversa, dependiendo siempre del tipo de autómata y fabricante.
Una vez conocidos los elementos que LADDER proporciona para su
programación, resulta importante resaltar cómo se estructura un programa y
cuál es el orden de ejecución
3.12.2. Distribución de un programa
En cuanto a su equivalencia eléctrica, podemos imaginar que la línea vertical
de la izquierda representa el terminal de alimentación, mientras que la línea
Símbolo Nombre Descripción
Contacto NA
Se activa cuando hay un uno lógico en el elemento que representa, esto es, una entrada (para captar información del proceso a controlar), una variable interna o un bit de sistema.
Contacto NC
Su función es similar al contacto NA anterior, pero en este caso se activa cuando hay un cero lógico, cosa que deberá de tenerse muy en cuenta a la hora de su utilización.
Bobina NA
Se activa cuando la combinación que hay a su entrada (izquierda) da un uno lógico. Su activación equivale a decir que tiene un uno lógico. Suele representar elementos de salida, aunque a veces puede hacer el papel de variable interna.
Bobina NC
Se activa cuando la combinación que hay a su entrada (izquierda) da un cero lógico. Su activación equivale a decir que tiene un cero lógico. Su comportamiento es complementario al de la bobina NA.
Bobina SET
Una vez activa (puesta a 1) no se puede desactivar (puesta a 0) si no es por su correspondiente bobina en RESET. Sirve para memorizar bits y usada junto con la bobina RESET dan una enorme potencia en la programación.
Bobina RESET
Permite desactivar una bobina SET previamente activada.
- 60 -
vertical de la derecha representa el terminal de masa. El orden de ejecución es
generalmente de arriba hacia abajo y de izquierda a derecha, primero los
contactos y luego las bobinas, de manera que al llegar a éstas ya se conoce el
valor de los contactos y se activan si procede. El orden de ejecución puede
variar de un autómata a otro, pero siempre se respetará el orden de
introducción del programa, de manera que se ejecuta primero lo que primero se
introduce.
3.12.3. Sistemas Combinacionales
Aunque en los sistemas industriales la programación se centra en procesos
secuenciales, no teniendo demasiado interés los procesos combinacionales, es
necesario conocer la lógica combinacional ya que en muchas ocasiones es
necesaria en la programación secuencial.
Una vez obtenida la función lógica de un problema combinacional, el paso a
LADDER o esquema de contactos es muy sencillo. De acuerdo con el álgebra
de Boole aplicada a la conmutación, las sumas serán contactos en paralelo, los
productos contactos en serie y las negaciones contactos normalmente
cerrados.
Veamos en la siguiente tabla con detalle el algebra booleana aplicado a
lenguaje ladder.
- 61 -
OPERA-DOR DESCRIPCION ECUACION DIAGRAMA LADDER
OR “O”
Se representa con el signo + Son dos interruptores en paralelo Implica activar una señal de dos lugares diferentes
H = S1+S2
AND “Y”
Se representa con el signo • Son dos interruptores en serie Implica activar una señal solo si activo dos interruptores a la vez
H=S1•S2
NOT “NO”
Se representa con el signo ― en la parte superior de la variable Es la negación de una señal Es decir si activo una señal la salida se desactiva
H=¯ S1
AND NOT (NO
“Y”)
Es la negación de una operación AND Primero realizo la operación AND y luego la niego
H=¯ S1•S2
NOT OR (NOR)
(No “O”)
Es la negación de una operación OR Primero realizo la operación OR y luego la niego
H=¯ S1+S2
OR EXCLUS
IVO
Es la conexión de dos conmutadores Es decir puedo prender o apagar una señal solo si activo o desactivo solo una señal de entrada
H=¯ S1•S2 +S1•¯ S2
Nor exclusiv
o
Es la negación de un circuito OR exclusivo
H=S1•S2+ ¯ S1•¯ S2
Tabla III.VI Operadores del Diagrama Ladder
- 62 -
En la siguiente figura se muestra un ejemplo de esquema LADDER para una
determinada ecuación.
Figura III.14 Ejemplo de Esquema Ladder
LADDER para la función: M = A(B'+C)D'
3.12.4. Enclavamiento o Memorización
El término de enclavamiento viene de la conexión tradicional para realizar una
función de memoria en los circuitos con relés, es el llamado circuito con auto
alimentación. Esto se consigue mediante la conexión de un contacto NA del
relé (o contactor) en paralelo con el pulsador de marcha. A continuación puede
observarse las dos variantes de este circuito: con prioridad a la descoconexión
(figura a) y con prioridad a la conexión (figura b). Se los denomina así puesto
que, si el pulsador de paro S0 se mantiene pulsado, en el primer caso no se
podría volver a alimentar a la bobina del contactor y se prioriza que esté el
circuito desconectado; en cambio si en la segunda figura se mantiene pulsado
el pulsador de paro S0, se alimentará la bobina cada vez que se active el
pulsador de marcha S1.
- 63 -
Figura III.15 Circuitos con auto alimentación con prioridad a la desconexión a) y a la conexión b)
En la siguiente figura se pueden observar los sus esquemas equivalentes en
LADDER:
Figura III.16 Circuitos LADDER con auto alimentación
Las ecuaciones asociadas serían:
a) KM1 = S0 (S1+KM1)
b) KM1= S1+KM1·S0
Tomemos muy en cuenta el esquema b) puesto que ese será el patrón que
seguiremos al implementar la programación de los problemas de
automatización.
- 64 -
3.13. Programación en Grafcet (SFC)
3.13.1. Introducción al SFC
Los primeros métodos para el desarrollo de automatismos eran puramente
intuitivos, llevados a términos por expertos y desarrollados basándose en la
experiencia.
En la actualidad se utilizan métodos más sistemáticos con lo que no es
necesario ser un experto en automatismos para llevarlos a término.
En un principio se empleaba como método de resolución de problemas el
GRAFCET (GRAFica de Control de Etapas de Transición), que consiste en un
grafo o diagrama funcional normalizado, que permite hacer un modelo del
proceso a automatizar, contemplando entradas, acciones a realizar, y los
procesos intermedios que provocan estas acciones. Inicialmente fue propuesto
para documentar la etapa secuencial de los sistemas de control de procesos a
eventos discretos. No fue concebido como un lenguaje de programación de
autómatas, sino un tipo de Grafo para elaborar el modelo pensando en la
ejecución directa del automatismo o programa de autómata.
Con el tiempo, se ha ido estandarizando y hoy el SFC (Sequential Function
Chart) es un diagrama funcional normalizado según la norma IEC 61131-3, que
permite hacer una descripción o modelo del proceso a automatizar,
- 65 -
contemplando entradas, acciones a realizar, y los procesos intermedios que
provocan estas acciones.
Varios fabricantes en sus autómatas de gama alta hacen este paso directo, lo
que lo ha convertido en un potente lenguaje gráfico de programación para
autómatas, adaptado a la resolución de sistemas secuenciales. En la
actualidad no tiene una amplia difusión como lenguaje, puesto que la mayoría
de los autómatas no pueden programarse directamente en este lenguaje, a
diferencia del Lenguaje Ladder. Pero se ha universalizado como herramienta
de modelado que permite el paso directo a programación mediante el lenguaje
Ladder o lenguaje de contactos.
A continuación detallaremos algunas características del SFC o GRAFCET
como método de resolución de problemas mecatrónicos o de automatización
industrial.
3.13.2. Elementos de programación
Para una comprensión didáctica, resumiremos los elementos básicos de
programación que encontraremos en el modelo GRAFCET.
• ETAPA: Define un estado en el que se encuentra el automatismo. Las
etapas de inicio se marcan con un doble cuadrado.
• ACCIÓN ASOCIADA: Define la acción que va a realizar la etapa, por
ejemplo conectar un contactor, desconectar una bobina, etc.
- 66 -
• TRANSICIÓN : Es la condición o condiciones que, conjuntamente con la
etapa anterior, hacen evolucionar el GRAFCET de una etapa a la
siguiente, por ejemplo un pulsador, un detector, un temporizador, etc.
Figura III.17 Elementos básicos del grafcet
Sin embargo, existen otros elementos adicionales que hacen más entendible
este modelo de programación:
Elementos GRAFCET de programación
Símbolo Nombre Descripción
Etapa inicial
Indica el comienzo del esquema SFC y se activa al poner en RUN el autómata. Por lo general suele haber una sola etapa de este tipo.
Etapa Su activación lleva consigo una acción o una espera.
Unión Las uniones se utilizan para unir entre sí varias etapas.
Transición Condición para desactivarse la etapa en curso y activarse la siguiente etapa, Se indica con un trazo perpendicular a una unión.
- 67 -
Direcciona-miento
Indica la activación de una u otra etapa en función de la condición que se cumpla.
Proceso simultáneo
Muestra la activación o desactivación de varias etapas a la vez.
Acciones asociadas
Acciones que se realizan al activarse la etapa a la que pertenecen.
Tabla III. Elementos grafcet de programación
3.13.3. Reglas y/o principios básicos
Para realizar el programa correspondiente a un ciclo de trabajo en GRAFCET,
se deberán tener en cuenta las siguientes reglas:
• Se descompone el proceso en etapas que serán activadas una tras otra.
• A cada etapa se le asocia una o varias acciones que sólo serán
efectivas cuando la etapa esté activa.
• Una etapa se activa cuando se cumple la condición de transición.
• El cumplimiento de una condición de transición implica la activación de
la etapa siguiente y la desactivación de la etapa precedente.
Podemos describir en conjunto como principios básicos; que un GRAFCET es
una sucesión de etapas . Cada etapa tiene sus acciones asociadas de forma
que cuando aquella etapa está activa se realizan las correspondientes
- 68 -
acciones; pero estas acciones no podrán ejecutarse nunca si la etapa no está
activa.
Figura III.18 Etapa - Acción
Entre dos etapas hay una transición . A cada transición le corresponde una
receptividad , es decir una condición que se ha de cumplir para poder pasar la
transición. Una transición es válida cuando la etapa inmediatamente anterior a
ella está activa. Cuando una transición es válida y su receptividad asociada se
cumple se dice que la transición es franqueable .
Figura III.19 Transición - Receptividad
- 69 -
Al franquear una transición se desactivan sus etapas anteriores y se activan las
posteriores. Las etapas iniciales, que se representan con línea doble, se
activan en la puesta en marcha.
Es importante determinar que dependiendo del problema se pueden tener
diferentes tipos de secuencias con diferentes resultados o acciones. Por tanto
veremos la clasificación de las secuencias y de las acciones.
Figura III.20 Etapa inicial
3.13.4. Clasificación de las secuencias
En Grafcet podemos encontrarnos con tres tipos de secuencias:
• Lineales
• Con direccionamientos o alternativa
• Simultáneas
- 70 -
3.13.4.1. Lineales
En las secuencias lineales el ciclo lo componen una sucesión lineal de etapas
como se refleja en el siguiente ejemplo:
Figura III.21 Secuencia Lineal
El programa irá activando cada una de las etapas y desactivando la anterior
conforme se vayan cumpliendo cada una de las condiciones. Las acciones se
realizarán en función de la etapa activa a la que están asociadas. Por ejemplo,
con la etapa 1 activa tras arrancar el programa, al cumplirse la "Condición 1",
se activará la etapa 2, se desactivará la 1, y se realizará la "Acción 1", al
cumplirse la "Condición 2", se activará la etapa 3, se desactivará la 2, y se
realizará la "Acción 2", al cumplirse la "Condición 3", se activará la etapa 4, se
desactivará la 3, y se realizará simultáneamente la "Acción 3" y la “Acción 4”, al
- 71 -
cumplirse la "Condición 4", se activará la etapa 1, se desactivará la 4,
completando la secuencia y volviendo a repetirse el ciclo.
3.13.4.2. Con direccionamiento
Si tenemos implantado el GRAFCET con direccionamiento, el ciclo puede
variar en función de la condición que se cumpla. En el siguiente ejemplo a partir
de la etapa inicial se pueden seguir tres ciclos diferentes dependiendo de cual
de las tres condiciones (1, 2 ó 3) se cumpla, (sólo una de ellas puede cumplirse
mientras la etapa 1 esté activa):
Figura III.22 Secuencia con direccionamiento
3.13.4.3. Simultáneas
En las secuencias simultáneas varios ciclos pueden estar funcionando a la vez
por activación simultánea de etapas. En el siguiente ejemplo, cuando se
cumple la condición 1 las etapas 2, 3 y 4 se activan simultáneamente:
Figura III.23 Secuencia simultánea
- 72 -
Es importante determinar que las secuencias tanto de direccionamiento como
las simultáneas son estructuras anidadas, por tanto no deben existir
secuencias desconectadas y deben tener un punto en común para volver a la
secuencia lineal y completar el ciclo de etapas.
3.13.5. Clasificación de las acciones
En GRAFCET podemos encontrar con alguna o varias de las acciones
asociadas a una etapa que se describen seguidamente.
3.13.5.1. Acciones asociadas a varias etapas
Una misma acción puede estar asociada a etapas distintas. Así en el siguiente
ejemplo la acción A se realiza cuando está activa la etapa 21 ó la 23 (función
O):
Figura III.24 Acciones asociadas a varias etapas
- 73 -
3.13.5.2. Acciones condicionadas
La ejecución de la acción se produce cuando además de encontrarse activa la
etapa a la que está asociada, se debe verificar una condición lógica
suplementaria (función Y):
Figura III.25 Acciones condicionadas
3.13.5.3. Acciones temporizadas o retardadas
Es un caso particular de las acciones condicionadas que se encuentran en
multitud de aplicaciones. En este caso, el tiempo interviene como una condición
lógica más. En el siguiente ejemplo la acción A se realizará durante 10
segundos:
Figura III.26 Acciones temporizadas o retardadas
- 74 -
3.13.6. Niveles del GRAFCET
El GRAFCET puede utilizarse para describir los tres niveles de
especificaciones de un automatismo. Estos tres niveles son los que
habitualmente se utilizan para diseñar y para describir un automatismo.
3.13.6.1. GRAFCET de nivel 1: Descripción funcional
En el primer nivel interesa una descripción global (normalmente poco detallada)
del automatismo que permita comprender rápidamente su función. Es el tipo de
descripción que haríamos para explicar lo que queremos que haga la máquina
a la persona que la ha de diseñar o el que utilizaríamos para justificar, a las
personas con poder de decisión en la empresa, la necesidad de esta máquina.
Figura III.27 Grafcet de Nivel 1
Este GRAFCET no debe contener ninguna referencia a las tecnologías
utilizadas; es decir no se especifica cómo hacemos avanzar la pieza (cilindro
neumático, motor y cadena, cinta transportadora, etc.), ni cómo detectamos su
posición (fin de carrera, detector capacitivo, detector fotoeléctrico, etc.), ni tan
- 75 -
solo el tipo de automatismo utilizado (autómata programable, neumática,
ordenador industrial, etc.).
3.13.6.2. GRAFCET de nivel 2: Descripción tecnológi ca
En este nivel se hace una descripción a nivel tecnológico y operativo del
automatismo. Quedan perfectamente definidas las diferentes tecnologías
utilizadas para cada función. El GRAFCET describe las tareas que han de
realizar los elementos escogidos. En este nivel completamos la estructura de la
máquina y nos falta el automatismo que la controla.
Figura III.28 Grafcet de Nivel 2
3.13.6.3. GRAFCET de nivel 3: Descripción operativa
En este nivel se implementa el automatismo. El GRAFCET definirá la
secuencia de actuaciones que realizará este automatismo. En el caso de que
se trate, por ejemplo, de un autómata programable, definirá la evolución del
automatismo y la activación de las salidas en función de la evolución de las
entradas.
- 76 -
Figura III.29 Grafcet de Nivel 3
3.13.7. Campos de aplicación
El GRAFCET es un poderoso modelo de programación que es aplicado en todo
campo en donde se pueda identificar secuencias. Es bien conocido que
especialmente en las industrias se implantan sistemas usando esta
herramienta de modelado, generando otros sistemas como por ejemplo el
sistema SCADA.
El SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) es una aplicación de
software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores
(computadores) en el control de producción, proporcionando comunicación con
los dispositivos de campo (controladores autónomos) y controlando el proceso
de forma automática desde la pantalla del ordenador. También provee de toda
la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios,
tanto del mismo nivel como de otros usuarios supervisores dentro de la
- 77 -
empresa (supervisión, control calidad, control de producción, almacenamiento
de datos, etc.).
También se ha empleado el modelo GRAFCET para la resolución de
problemas enfocados a la automatización de procesos mecatrónicos. En
nuestro medio se ha enfocado más al campo didáctico, pero en otros países se
constituye en una disciplina integradora que utiliza las tecnologías de la
mecánica, electrónica y tecnología de información para proveernos de
productos, procesos y sistemas mejorados.
La Mecatrónica también sirve para la resolución de problemas industriales,
científicos y tecnológicos de una manera integral, es decir utilizando un
enfoque tecnológico integral y un Ingeniero Mecatrónico desarrolla dichos
sistemas incluso si existe innovación tecnológica.
- 78 -
CAPÍTULO IV
4. ESTUDIO DE LOS ELEMENTOS QUE PERMITA LA APLICACI ÓN DE
LA PROGRAMACION GRAFCET
4.1. Introducción
En todo proceso automatizado o mecatrónico se requerirá tanto la parte
software para la programación del proceso como también la parte Hardware
para la visualización de los procesos. Esto lo lograremos mediante el PLC
Wago 750-842 y su programa o software WAGO I/O PRO 32.
También requeriremos especialmente en los caso de estudio, un equipo
mecatrónico. En nuestro caso es la Estación de Distribución que proporciona
la marca FESTO para la práctica didáctica de los estudiantes. Describiremos
tanto sus componentes, accesorios y secuencias de procesos para una mejor
comprensión.
- 79 -
4.2. Introducción al PLC WAGO 750-842
Una de las herramientas para la automatización de procesos en PLC es el
WAGO, modelo 750 - 842, cuyos creadores son la empresa WAGO
Kontakttechnik GmbH & Co. KG , siendo una empresa alemana que fabrica
componentes para la conexión eléctrica de tecnología y componentes para la
descentralización de tecnología de automatización. Su alcance tanto en
El PLC Wago consiste de varios componentes que son: módulos y
aplicaciones especificas para nodos fieldbus. Un nodo fieldbus está
compuesto de tres partes: al principio un acoplador fieldbus
(Coupler/Controller) o un controlador fieldbus programable, en el medio se
encuentran varios módulos de E/S, y al final un modulo de terminación o fin,
tal como muestra la siguiente figura.
[1] [2] [3]
Figura IV.30 Partes del PLC WAGO 750-842
- 80 -
Describamos a continuación cada una de sus partes.
4.2.1. Controlador Fieldbus
El Controlador Fieldbus Programable [1] forma el vínculo entre los
módulos de entrada/salida y los dispositivos de campo. Todas las
funciones de control de entrada/salida deben llevarse a cabo en el
Controlador Fieldbus Programable para su correcto funcionamiento.
El Controlador Fieldbus Programable Wago 750-842 o también llamado
PFC, combina la funcionalidad de Ethernet TCP/IP del Controlador
Fieldbus Programable 750-342 con la funcionalidad de un PLC. La
programación de las aplicaciones es realizada con WAGO- I/O-PRO 32 en
conformidad con IEC 61131-3
Figura IV.31 Controlador Fieldbus
- 81 -
El controlador Fieldbus consta de:
• El suministro de energía del dispositivo está compuesto por un
módulo de suministro de energía interno para la alimentación del
sistema, así como de jumpers de contacto para suministrar energía
a los módulos ensamblados de entrada y salida.
• Una Interfaz fieldbus para la conexión del bus.
• LED's para visualizar el estado de una operación, la comunicación
del bus, el voltaje y para diagnosticar los mensajes enviados y
recibidos.
• Interfaz de configuración y programación.
• Un switch para realizar operaciones especiales.
• Bus interno para la comunicación de los módulos E/S con la Interfaz
fieldbus.
4.2.2. Módulos E/S.
En los módulos de E/S [2], los datos del proceso entrante son
convertidos de acuerdo a los diferentes requerimientos de los módulos. Hay
entradas y salidas, digitales y analógicas, y además existen módulos de E/S
especiales que son utilizables para una variedad de funciones específicas.
4.2.3. Módulo de terminación
El módulo de terminación o fin del módulo [3], es necesario para el correcto
funcionamiento del fieldbus Wago. La terminación del módulo siempre se
coloca al final de los módulos de entrada/salida, para obtener una
- 82 -
terminación del fieldbus Wago. Este módulo no tiene ninguna función de
entrada/salida. Todas las señales de entrada de los sensores están
agrupadas en el controlador. Según la IEC 61131-3, el tratamiento de los
datos del proceso ocurre localmente en el PFC.
Los resultados de este tratamiento de datos del proceso pueden ser
publicados directamente en los actuadores o pueden ser transmitidos a
un sistema de control superior a través del bus.
4.2.4. Instalación Hardware del PLC
Se procede a enclavar tal como se muestra en la figura para las extensiones
tanto de entrada como de salida de información.
Figura IV.32 Instalación de cables
4.2.5. Instalación Software y configuración del PLC
El software que empleamos para configurar el PLC Wago 750-842 es el
WAGO-IO-PRO 32, Versión 2.2. A continuación describiremos los pasos para
la instalación:
- 83 -
1. Localizar la carpeta I O Pro32 y acceder al ejecutable SETUP.
Figura IV.33 Instalación de I O Pro
Figura IV.34 El programa SETUP de WAGO
2. Al pulsar se presentará la pantalla en donde debemos escoger el idioma en
el cual se instalará el programa. En nuestro caso escogemos el idioma
INGLES.
- 84 -
Figura IV.35 Instalación WAGO 2
3. A continuación se presenta el logo de bienvenida del programa WAGO IO
PRO 32 y los primeros pasos para continuar con la instalación.
Figura IV.36 Instalación WAGO 3
- 85 -
4. Pulsamos Siguiente y debemos llenar los datos requeridos y el serial que
está en un archivo en formato .rtf, el mismo que se encuentra en la carpeta I
O Pro.
Figura IV.37 Instalación WAGO 4
5. Después de pulsar Siguiente, confirmamos los datos que están los
correctos.
Figura IV.38 Instalacion WAGO 5
- 86 -
6. Al pulsar siguiente nos identifica en donde se va a instalar el programa por
defecto, o si deseáramos ubicarlo en otro sitio lo podemos hacer. En
nuestro caso conservamos la ubicación predeterminada del programa.
Figura IV.39 Instalación WAGO 6
7. En la siguiente pantalla se ve tres opciones de instalación. Para nosotros,
queremos solo instalar el programa, por lo tanto escogemos la opción
Completar nueva instalación.
Figura IV.40 Instalación WAGO 7
- 87 -
8. De aquí en adelante solo nos pide la versión en la cual vamos a trabajar,
escogemos la versión 2.2 y nos indica los accesos directos, nos advierte
que debemos reiniciar el equipo para no tener ningún problema y
concluimos con la instalación.
Figura IV.41 Instalación WAGO 8
La configuración del PLC se realiza cada vez que queramos grabar o simular la
aplicación. Por lo tanto indicaremos en los casos de estudio.
4.3. Introducción al Equipo Mecatrónico
Tanto es el interés generado por perfeccionar técnicas de programación que
inclusive empresas dedicadas a fabricar equipos mecatrónicos e industriales
han capacitado para poder promocionar sus equipos.
- 88 -
Tal es el caso de la Compañía Festo, proveedor mundial de soluciones de
automatización mediante tecnología neumática, electrónica y de redes para
todo tipo de procesos y actividades industriales. Suministran desde
componentes independientes a sistemas completos, así como asesoramiento y
formación tecnológica, empresarial y didáctica.
4.3.1. Sistemas MPS®
Los sistemas MPS® 200 de Festo son un conjunto de estaciones, PLCs,
accesorios y Software que permiten capacitar a los estudiantes en diferentes
ámbitos como; Mecánica, Neumática, electrónica, programación. Esto
garantiza una formación efectiva ya desde el comienzo. Van desde pequeños
sistemas completos hasta equipos enteros de laboratorios de Mecatrónica.
Figura IV.42 Estaciones MPS
Generalmente tenemos los siguientes elementos:
• Estaciones MPS®
- 89 -
• Todos los accesorios necesarios, tales como mesas rodantes, fuentes de
alimentación, consolas de control, juegos de piezas de trabajo, etc.
• Paquete de control con software de programación y cables
• Software de visualización y simulación
Uno de los componentes principales del sistema MPS® 200 es la Estación de
Distribución.
4.3.2. Estación de Distribución MPS ®
El objetivo de la estación de Distribución es de separar piezas. Se encarga de
receptar piezas cilíndricas, separarlas y transportarlas a otra estación o
proceso de producción. El equipo mecatrónico será empleado en el segundo
caso de estudio. Detallemos primeramente los accesorios y elementos
principales de la estación de distribución.
Figura IV.43 Estación de Distribución MPS 200
- 90 -
4.3.2.1. Elementos principales
Los elementos más importantes de la estación de distribución son:
� Placa perfilada de aluminio
La placa perfilada en aluminio anodizado forma la base de todos los
equipos de formación de Festo Didactic. Todos los componentes de fijan de
forma segura en las ranuras de la placa perfilada. Hay ranuras en cada
laso y, si es necesario, pueden montarse componentes en ambos lados.
Las ranuras son compatibles con el sistema de perfiles ITEM. Tapetas
laterales incluidas. Dimensiones de retícula: 50 mm.
Figura IV.44 Placa de aluminio
Para instalación sobre mesas, recomendamos usar los correspondientes
pies de goma. Tamaños 350 x 1100 mm y 350 x 250 mm suministradas sin
tapetas laterales.
� Módulo almacén apilador
Separa piezas de un almacén. Un cilindro de doble efecto empuja la pieza
de la parte inferior sacándola del almacén por gravedad, contra un tope
mecánico. La posición del cilindro es detectada por sensores inductivos.
- 91 -
Figura IV.45 Modulo almacen apilador
En la Estación de Distribución el módulo de almacén Apilador, separa
piezas de un almacén. Un cilindro de doble efecto empuja la pieza de la
parte inferior sacándola del almacén por gravedad, contra un tope
mecánico. La posición del cilindro es detectada por sensores inductivos.
Las velocidades de avance y retroceso pueden ajustarse por medio de
válvulas reguladoras de caudal de un sólo sentido.
� Módulo cambiador
Es un dispositivo manipulador neumático. Se utiliza una ventosa para tomar
piezas y recolocarlas a posiciones de 0° a 180° uti lizando un actuador
semigiratorio. La posición final se detecta por medio de sensores.
Figura IV.46 Módulo cambiador
- 92 -
� Pinza de aspiración
La pinza de aspiración del módulo cambiador sujeta la pieza. El vacío es
generado en la placa de vacío del terminal de válvulas CP por medio del
principio Venturi y es supervisada por un presostato.
Figura IV.47 Aspirador
� Terminal E/S (SysLink)
El terminal de E/S es la unidad central del concepto MPS® SysLink.
Permite el cableado de 8 entradas y 8 salidas a un conector. Los LEDs
están montados en los terminales de entrada y salida para indicación del
estado del circuito y localización de averías sistemática.
Figura IV.48 Terminal E/S
El terminal puede montarse en un raíl DIN.
• Terminales para entradas: 8
- 93 -
• Terminales para salidas: 8
� Vacuostato
Vacuostato tipo mecánico con punto de conmutación, es ajustable y posee
indicador de estado (LED).
Figura IV.49 Vacuóstato
� Válvula de cierre con filtro regulado r
Filtro regulador con manómetro, válvula de cierre, racores rápidos y
acoplamientos rápidos, montados en un soporte basculante.
Figura IV.50 Válvula de cierre
- 94 -
4.3.2.2. Accesorios requeridos
Para complementar la Estación de distribución, requerimos los siguientes
accesorios
� Juego de herramientas
El juego de herramientas facilita el trabajo en las estaciones.
Un práctico Minisystainer incluye:
Figura IV.51 Herramientas
• Regla de acero 200 mm
• Llaves fijas 7, 8, 9, 10
• Llave inglesa
• Alicate de corte oblicuo
• Alicate desforrador
• Alicate de montaje de terminales
- 95 -
• Juego de destornilladores hexagonales, 1.5 – 6
• Destornillador hexagonal, 0,9; 1.3
• Destornillador de estrella PZ02 – corto
• Destornillador plano 2,5 x 75; 4,0 x 100
• Destornillador plano 1.2 – 1.6
• Cortatubos
• Cortador de fibras ópticas
• Juego de piezas de trabajo, rojo, negro, plata
• 100 bridas 2,5 x 100
• 100 terminales de cable 0,25
• 100 terminales de cable 0,75
� Fuente de alimentación de sobremesa
Son reguladores que permiten dar energía al equipo. Algunas de sus
características son:
Figura IV.52 Fuente de alimentación
• Tensión de entrada: 85 – 265 V AC (47 – 63 Hz)
• Tensión de salida: 24 V DC, a prueba de cortocircuitos
• Corriente de salida: máx. 4,5 A
- 96 -
• Dimensiones: 115 x 155 x 200 mm
� Mesa rodante
La mesa rodante convierte una estación MPS® en una unidad móvil y
compacta. Es fácil montar la estación en la mesa rodante. También puede
montarse el EduTrainer® Universal. Orificios en las paredes laterales y
posterior facilitan el tendido ordenado de los cables.
Figura IV.53 Mesa Rodante
La parte frontal está equipada con fijaciones para el panel de control. La
mesa se suministra completa, con ruedas.
• Altura (incl. ruedas, hasta el borde superior de la placa perfilada): 750
mm
• Anchura: 350 mm
- 97 -
• Fondo: 700 mm
� Consola de control MPS® para SysLink
La consola de control MPS® facilita el funcionamiento de la estación
MPS®. SysLink o AS-interface – los diversos interfaces aseguran
versatilidad de uso. Completamente montada con panel de operador,
paneles de comunicación, panel de reserva y bastidor de montaje con
conector SysLink.
Figura IV.54 Consola de control
� Juego de piezas cilíndricas
El juego de piezas comprende 4 cuerpos de material sintético negros, 4
cuerpos de material sintético rojos y 4 cuerpos de aluminio del cilindro.
• Diámetro exterior: 40 mm
• Alto (negras): 22,5 mm
• Alto (rojas y de aluminio): 25 mm
- 98 -
Figura IV.55 Juego de piezas cilíndricas
4.3.2.3. Accesorios complementarios
Los accesorios complementarios consisten en tubos, terminales, bridas sujeta
cables etc. que permitan complementar la terminación de la estación y cumplir
con el estándar de calidad requerido especialmente en las competencias de
Mecatrónica.
4.3.2.4. Secuencia del proceso
La secuencia del proceso es la siguiente: existen algunas piezas en el tubo del
módulo almacén apilador. Un cilindro de doble efecto expulsa las piezas
individualmente. El módulo cambiador sujeta la pieza individual por medio de
una ventosa. El brazo del cambiador, que es accionado por un actuador
giratorio, transporta la pieza al punto de transferencia de la estación posterior.
- 99 -
CAPITULO V
5. ANALISIS Y DISEÑO DE CASOS DE ESTUDIO
5.1. Introducción
En automatización industrial es común ver secuencias sencillas, con
contactores, timers, etc, y por tanto ha sido una herramienta principal el uso del
método ladder o lenguaje de contactos para resolver dichos problemas. Es por
ello que inclusive tanto los PLC como sus respectivos softwares y programas
didácticos están enfocados a dicho lenguaje.
El inconveniente es cuando se dispone de problemas complejos. El programa
se ha convertido en un pequeño lío de símbolos ladder. Cuando se requieren
hacer secuencias complejas por un autómata o PLC, el programa en ladder
crece y resulta bastante ininteligible, sobre todo si uno no es quién lo ha
creado. Por eso, es necesario hacer las cosas de otra forma, más ordenada y
además que permita entender el programa más fácilmente. Una posibilidad es
- 100 -
el uso de la metodología tradicional incluyendo al lenguaje Grafcet como
método, el mismo que es ampliamente utilizado para resolver problemas.
5.2. Pasos de la metodología tradicional
Básicamente el método tradicional consiste en los siguientes pasos:
• Establecer la secuencia del problema planteado, ya sea con un Grafcet
funcional o con un bosquejo gráfico del problema. (grafcet de nivel 1)
• Elaborar el grafcet descriptivo de etapas y transiciones (grafcet de nivel
2).
• Diseñar la tabla de asignaciones
• Elaborar el grafcet operativo (grafcet de nivel 3)
• Extraer las ecuaciones necesarias, tomando en cuenta ciertas reglas.
• Trasladar a lenguaje ladder, y
• Depurar el programa.
Detallaremos a continuación cómo se resuelve normalmente un problema de
secuencias combinando el lenguaje Grafcet como método y luego
implementando en lenguaje de contactos para su posterior programación. A
continuación plantearemos dos casos de estudio en los cuales se programará
con dicha metodología habitual, para posteriormente demostrar que la
propuesta metodológica de programación de PLC planteada en este trabajo
investigativo es eficaz y que se resuelve en poco tiempo.
- 101 -
5.3. Implementación de la metodología habitual
5.3.1. Metodología Tradicional
Al analizar la metodología que usualmente involucra la resolución de problemas
de automatización y de mecatrónica generalmente se emplea el uso del grafcet
como método inicial y el lenguaje ladder como método de implantación del
problema, debido a que en la mayoría de los PLC solo soportan el lenguaje
ladder.
Antes de seguir los pasos para resolver problemas de automatización,
recordemos los elementos que tiene el grafcet:
• ETAPA: Define un estado en el que se encuentra el automatismo. Las
etapas de inicio se marcan con un doble cuadrado. Este elemento lo
asociamos con las memorias y lo denominaremos con una M.
• ACCIÓN ASOCIADA: Define la acción que va a realizar la etapa, por
ejemplo conectar un contactor, desconectar una bobina, etc. Este
elemento lo asociamos con las salidas y lo denominaremos con una Q.
• TRANSICIÓN: Es la condición o condiciones que, conjuntamente con la
etapa anterior, hacen evolucionar el GRAFCET de una etapa a la
siguiente, por ejemplo un pulsador, un detector, un temporizador, etc.
Este elemento lo asociamos con las entradas y lo denominaremos con
una I. (en otros PLC lo denominan con la E).-
- 102 -
Figura V.56 Diagrama Grafcet Nivel 1 y Nivel 3
Para establecer las ecuaciones a partir del grafcet y de ahí a ladder, vamos a
detallar la siguiente fórmula:
Etapa_Actual = Etapa_Anterior x Condición + Etapa_A ctual x Etapa_Siguiente_Negada
Que implica lo siguiente: “La etapa o memoria actual es igual a la etapa o
memoria anterior por la condición anterior más la etapa o memoria actual
por la etapa siguiente negada”. En conclusión, constituye el mismo concepto
de enclavamiento con prioridad a la conexión:
Ecuación
Ladder
Figura V.57 Diagrama ladder de Grafcet Nivel 1
- 103 -
Notamos que al igual que el enclavamiento con prioridad a la conexión, dispone
de ENCENDIDO, MEMORIA Y APAGADO. Las salidas que disponga el grafcet
solamente se deben asignar con la etapa o memoria en la cual están
enlazadas. Por ejemplo, si tenemos este grafcet:
Figura V.58 Diagrama Grafcet demo
Estas serían las ecuaciones:
M2 = M1·C2+M2·M3
M2 = M1·C2+M2·M3
M2 = M1·C2+M2·M3
Accion1=M2
Accion2=M4
Y a su vez el programa en ladder sería:
- 104 -
Figura V.59 Diagrama Ladder demo
5.3.2. Método de Programación
El método de programación tradicional dispone de los siguientes pasos:
a) Establecer la secuencia del problema que se quiere resolver mediante el
grafcet de nivel 1.
b) Elaborar el grafcet de nivel 2 con todos los elementos técnicos y
simbologías que se requiera.
c) Crear la tabla de asignaciones.
d) Elaborar el grafcet de nivel 3.
e) Extraer las ecuaciones a partir del grafcet de nivel 2 o 3.
f) Programar en lenguaje ladder a partir de las ecuaciones.
g) Trasladar al software del PLC
h) Depurar el programa.
- 105 -
5.3.3. Casos de Estudio
A continuación veremos los siguientes casos de estudio:
• Caso de Estudio 1: Control automático de un semáforo.
• Caso de Estudio 2: Estación de Distribución MPS.
CASO DE ESTUDIO 1
Se desea realizar el control automático de un semáforo para peatones. El
peatón al llegar a la bocacalle observa el semáforo de peatón en rojo, pero a su
vez el semáforo de la calle está en verde, el mismo que dura 30 s, después se
observa que el semáforo de la calle está en amarillo durante 5 s y
posteriormente cambia a rojo, cambiando el semáforo del peatón a verde,
después de 20 s el semáforo de la calle cambia a verde y el del peatón cambia
a rojo, comenzando un nuevo ciclo.
SOLUCION
a) Establecer la secuencia del problema mediante el grafcet de nivel 1.
Figura V.60 Grafcet Nivel 1 Semáforo
- 106 -
b) Elaborar el grafcet de nivel 2 con todos los elementos técnicos y
simbologías que se requiera.
Figura V.61 Grafcet Nivel 2 Semáforo
c) Crear la tabla de asignaciones.
ENTRADAS SALIDAS MEMORIAS TEMPORIZADORES
I0.0=START Q0.0=L1_VC
Q0.1=L2_RP
Q0.2=L3_AC
Q0.3=L4_RC
Q0.4=L5_VP
M0.0=M0
M0.1=M1
M0.2=M2
M0.3=M3
t1=T1=30s
t2=T2=5s
t3=T3=20s
Tabla V.VIII Tabla de asignaciones – Semáforo
En el caso de los temporizadores y otras variables, dependerá del programa
del PLC que se disponga para ver su sintaxis, sin embargo generalizaremos
con variables t1, t2, etc. y sus respectivos valores de tiempo, tal como se
describe en la tabla anterior.
- 107 -
d) Elaborar el grafcet de nivel 3.
Figura V.62 Grafcet Nivel 3 Semáforo
e) Extraer las ecuaciones a partir del grafcet de nivel 2 o 3.
Para ello debemos usar la siguiente ecuación
Estas son las ecuaciones si extraemos del grafcet de nivel 2
- 108 -
Estas son las ecuaciones si extraemos del grafcet de nivel 3
El objetivo de extraer los dos tipos de ecuaciones es porque existen
programas que trabajan simultáneamente las direcciones de memoria
(%I 0.0; %Q 0.2; etc), con las variables de cada dirección; y en algunos
casos se requerirá saber qué variable es o qué dirección es la que estoy
necesitando o manipulando. Sin duda dependerá de la habilidad del
programador para optar por cualquiera de las dos ecuaciones.
f) Programar en lenguaje ladder a partir de las ecuaciones.
Por didáctica, utilizaremos las ecuaciones tomadas del grafcet de nivel 2
para programar en lenguaje ladder, así:
Figura V.63 Ladder Semáforo
- 109 -
Figura V.63 Ladder Semáforo
g) Trasladar al software del PLC
En nuestro caso, utilizaremos el programa WAGO-IO-PRO 32 V2.2, para
la respectiva programación y posterior depuración del programa.
Figura V.64 Ladder Semáforo en programa WAGO
- 110 -
Figura V.64 Ladder Semáforo en programa WAGO
Figura V.64 Ladder Semáforo en programa WAGO
- 111 -
h) Depurar el programa.
En este caso, como es un sistema de señalización y que no implica
movimiento de actuadores, no hace falta depurarlo, excepto por el
control de paro STOP que está ubicado en cada red de la escalera y en
forma cerrada.
Como se ha visto en este primer caso, se sigue con la metodología tradicional,
normalmente en el momento de analizar el problema lleva un cierto tiempo
aproximadamente 3 minutos para tener la idea, en el momento de la
implantación en lenguaje grafcet de nivel 1 llevará unos 2 minutos, es
importante seguir con el grafcet de nivel 2 y hasta cierto modo darlo como
opcional la programación en grafcet de nivel 3 puesto que son las mismas
ecuaciones que se extrae, llevando al programador a no tardar más de un
minuto en disponer del grafcet de nivel 2. Después de establecer la tabla de
asignaciones y extraer las ecuaciones, para luego trasladar a lenguaje ladder
se llevará aproximadamente 5 minutos y por ende, dependiendo de la
familiaridad con el programa que se va a implantar y con las respectivas
correcciones se tomará unos 15 minutos, dando un total de 26 minutos
aproximadamente en resolver el problema.
CASO DE ESTUDIO 2
Se desea realizar el control automático de una estación de Distribución, la
misma que separa piezas. Un cilindro de doble efecto expulsa las piezas
individualmente. El módulo Cambiador o brazo sujeta la pieza separada por
- 112 -
medio de una ventosa o succión. El brazo del cambiador, que es accionado por
un actuador giratorio, transporta la pieza al punto de transferencia de la
estación posterior.
SOLUCION
a) Establecer la secuencia del problema mediante el grafcet de nivel 1.
Figura V.65 Grafcet Nivel 1 Estación de distribución
- 113 -
b) Elaborar el grafcet de nivel 2 con todos los elementos técnicos y
simbologías que se requiera.
Figura V.66 Grafcet Nivel 2 Estación de distribución
- 114 -
c) Crear la tabla de asignaciones.
ENTRADAS SALIDAS MEMORIAS TEMPORIZADORES
I0.0=START
I0.1=a1
I0.2=a0
I0.3=s_vac
I0.4=sb_mag
I0.5=sb_next
Q0.0=L1_VC
Q0.1=L2_RP
Q0.2=L3_AC
I0.3=L4_RC
I0.4=L5_VP
M0.0=M0
M0.1=M1
M0.2=M2
M0.3=M3
M0.4=M4
M0.5=M5
M0.6=M6
M0.7=M7
t1=T1=2s
t2=T2=6s
Tabla V.IX Tabla de asignaciones – Estación de distribución
En este caso, también utilizaremos temporizadores tanto para expulsar
el objeto absorbido por el brazo actuador como también para esperar un
cierto tiempo hasta que capture la siguiente figura o pieza circular. Esto
se lo refleja en la tabla anterior con dos temporizadores.
Recordemos que no es indispensable programar en el grafcet de nivel 3
por otra razón. Normalmente en las competiciones de mecatrónica se
requiere aprovechar al máximo el tiempo, así que el programador está
consciente qué variable corresponde con cada entrada o salida y no
hace falta programarlo, sino mas bien directamente grabar en el PLC y
- 115 -
hacer las pruebas. Por didáctica y para completar los pasos, vamos a
seguir con el grafcet de nivel 3.
d) Elaborar el grafcet de nivel 3.
Figura V.67 Grafcet Nivel 3 Estación de distribución
- 116 -
e) Extraer las ecuaciones a partir del grafcet de nivel 2 o 3.
Para ello debemos usar la siguiente ecuación
Estas son las ecuaciones si extraemos del grafcet de nivel 2
Estas son las ecuaciones si extraemos del grafcet de nivel 3
f) Programar en lenguaje ladder a partir de las ecuaciones.
Por didáctica, utilizaremos las ecuaciones tomadas del grafcet de nivel 2
para programar en lenguaje ladder, así:
- 117 -
Figura V.68 Ladder Estación de distribución
g) Trasladar al software del PLC
En este caso, el problema es muy grande por lo que lo presentaremos
de forma seccionada. Esto es solo una muestra de que, para presentar
como programa el leguaje ladder, el proceso es muy largo,
aproximadamente unas 13 redes y sin tomar en cuenta las respectivas
depuraciones. Esto lo presentamos en cuatro imágenes.
- 118 -
Figura V.69 Ladder Estación de distribución en programa WAGO
Figura V.69 Ladder Estación de distribución en programa WAGO
- 119 -
Figura V.69 Ladder Estación de distribución en programa WAGO
Figura V.69 Ladder Estación de distribución en programa WAGO
h) Depurar el programa.
En este caso, sí se requiere hacer determinados controles. A más del
habitual paro de emergencia, también habrá el caso si el brazo de la
estación no está en la posición inicial para programar, por tanto se
pondría una sencilla condición: a más del START en la primera rama, se
- 120 -
colocaría junto al mismo el sensor abierto sb_next para asegurarnos que
está en dirección a la otra estación y de ahí proceder con la secuencia,
así:
Figura V.70 Ladder Estación de distribución con controles adicionales
Recordemos que a diferencia del caso de estudio anterior, este fue
relativamente más largo y cada vez que el problema se haga más complejo, el
tiempo de programación también crecerá.
Relativamente el tiempo que llevó a entender el problema, realizar el respectivo
grafcet, la tabla de asignaciones y las respectivas ecuaciones con su
correspondiente lenguaje en ladder sin mencionar las respectivas pruebas y
depuraciones, se llevo alrededor de 40 minutos.
- 121 -
5.4. Implementación de la propuesta metodológica pa ra la programación
de PLC en Grafcet
En este apartado, se determinará que, es posible implementar la metodología
de programación propuesta, recalcando que se usará sólo los pasos
necesarios para optimizar el tiempo de programación. Para ello requeriremos
que el programador tenga los conocimientos necesarios de la metodología de
programación en SFC o GRAFCET detallados en el capítulo IV de este
documento.
De igual manera, recordemos los siguientes elementos en la siguiente tabla.
Elementos GRAFCET de programación
Símbolo Nombre Descripción
Etapa inicial
Indica el comienzo del esquema SFC y se activa al poner en RUN el autómata. Por lo general suele haber una sola etapa de este tipo.
Etapa Su activación lleva consigo una acción o una espera.
Unión Las uniones se utilizan para unir entre sí varias etapas.
Transición Condición para desactivarse la etapa en curso y activarse la siguiente etapa, Se indica con un trazo perpendicular a una unión.
- 122 -
Direcciona-miento
Indica la activación de una u otra etapa en función de la condición que se cumpla.
Proceso simultáneo
Muestra la activación o desactivación de varias etapas a la vez.
Acciones asociadas
Acciones que se realizan al activarse la etapa a la que pertenecen.
Tabla V.X Elementos grafcet de programación
Será importante recordar que se puede programar simultáneamente procesos,
todo dependerá de la complejidad de programación que tengamos. Dichos
métodos están detallados en el Capítulo IV.
5.4.1. Método de Programación Propuesto
El método de programación propuesto de PLC en GRAFCET dispone de los
siguientes pasos:
a) Establecer la secuencia del problema que se quiere resolver mediante el
grafcet de nivel 1.
b) Elaborar el grafcet de nivel 2 con todos los elementos técnicos y
simbologías que se requiera.
c) Programar en lenguaje GRAFCET a partir del grafcet de nivel 2
d) Depurar el programa.
- 123 -
Gráficamente sería lo siguiente:
a) Establezco secuencias de solución b) Elaboro el Grafcet de Nivel 2
c) Programo en Lenguaje Grafcet d) Depuro el programa
- 124 -
Para demostración de los pasos de la metodología, emplearemos los mismos
casos de estudio empleados con la metodología tradicional.
5.4.2. Casos de Estudio
CASO DE ESTUDIO 1
Se desea realizar el control automático de un semáforo para peatones. El
peatón al llegar a la bocacalle observa el semáforo de peatón en rojo, pero a su
vez el semáforo de la calle está en verde, el mismo que dura 30 s, después se
observa que el semáforo de la calle está en amarillo durante 5 s y
posteriormente cambia a rojo, cambiando el semáforo del peatón a verde,
después de 20 s el semáforo de la calle cambia a verde y el del peatón cambia
a rojo, comenzando un nuevo ciclo.
SOLUCION
a) Establecer la secuencia del problema que se quiere resolver mediante el
grafcet de nivel 1.
Figura V.71 Grafcet Nivel 1 Semáforo
- 125 -
b) Elaborar el grafcet de nivel 2 con todos los elementos técnicos y
simbologías que se requiera.
Figura V.72 Grafcet Nivel 2 Semáforo
c) Programar en lenguaje GRAFCET a partir del grafcet de nivel 2
En nuestro caso, utilizaremos el programa WAGO-IO-PRO 32 V2.2, para
la respectiva programación y posterior depuración del programa.
Figura V.73 Grafcet Nivel 2 de Semáforo en programa WAGO
- 126 -
En las transiciones están programadas el tiempo que requerimos para el
cambio de luces en el semáforo, tal como muestra el siguiente ejemplo
en T1:
Figura V.74 Lenguaje ladder en transición de tiempo
d) Depurar el programa.
En nuestro caso, se realizó una restricción o señal de paro, para que
cuando se active, ningún LED o lámpara esté encendido. Esto se logra
mediante bifurcaciones de tal modo que si hay una señal de paro o stop,
se dirijan al estado INIT.
Notemos la diferencia tanto en el programa ladder del caso anterior
como el programa actual, prácticamente el programa es sencillo,
pequeño y de fácil corrección.
- 127 -
Figura V.75 Grafcet Nivel 2 Semáforo con controles
Es demostrable que a diferencia del método tradicional, que lleva alrededor de
26 minutos y con las debidas pruebas, con esta metodología se logró realizar
en 8 minutos aproximadamente.
CASO DE ESTUDIO 2
Se desea realizar el control automático de una estación de Distribución, la
misma que separa piezas. Un cilindro de doble efecto expulsa las piezas
individualmente. El módulo Cambiador o brazo sujeta la pieza separada por
medio de una ventosa o succión. El brazo del cambiador, que es accionado por
un actuador giratorio, transporta la pieza al punto de transferencia de la
estación posterior
- 128 -
SOLUCION
a) Establecer la secuencia del problema que se quiere resolver mediante el
grafcet de nivel 1.
Figura V.76 Grafcet Nivel 1 Estación de distribución
b) Elaborar el grafcet de nivel 2 con todos los elementos técnicos y
simbologías que se requiera.
- 129 -
Figura V.77 Grafcet Nivel 2 Estación de distribución
c) Programar en lenguaje GRAFCET a partir del grafcet de nivel 2
En este caso nuevamente utilizaremos el programa WAGO-IO-PRO 32
V2.2, para la respectiva programación y posterior depuración del
programa. Para ello el programa lo seccionaremos en partes.
- 130 -
Figura V.78 Grafcet Nivel 2 Estación de distribución en programa WAGO
A pesar de que en este problema hay más etapas, sigue siendo muy
rápido programar, demorando 13 minutos.
d) Depurar el programa.
En nuestro caso, se realizó una restricción o señal de paro, para que
cuando se active, el sensor de vacío deje de funcionar y que el brazo
esté en la posición de enlace a otra estación, es decir tal como se
- 131 -
plantea en el problema. Para estar seguros, en el momento que haya
señal de paro, situarse en la posición inicial, y si no lo está, colocar junto
al sensor de START el sensor sb_next.
Figura V.79 Grafcet Nivel 2 Estación de distribución con controles
Figura V.79 Grafcet Nivel 2 Estación de distribución con controles
- 132 -
Por tanto, desde el análisis hasta la programación en sí, se demoraría
alrededor de 15 minutos con todas las correcciones y las respectivas pruebas.
Tanto en tamaño de programación como en tiempo es mínimo y si el problema
es más complejo, no se extenderá tanto el programa, demostrando así las
bondades de utilizar este método, para realizar en corto tiempo un problema de
mecatrónica.
5.5. ANALISIS DE RESULTADOS
A continuación se realiza el estudio y análisis de resultados obtenidos a lo largo
de la investigación tanto de la metodología tradicional para la resolución de
problemas secuenciales como también la metodología propuesta aplicada a
cualquier proceso ya sea automatizado como de Mecatrónica, para lograr la
comprobación de la hipótesis.
Se procede a identificar las diferentes categorías que corresponden con las
variables independientes y dependientes. Para la variable independiente, se
realiza una comparación entre sus categorías, siendo la base de la hipótesis;
para que en las siguientes categorías –conocimiento, medición de tiempo y
confiabilidad de resultados– realizar las graficas comparativas y estadísticas de
cada categoría en función de las categorías de la variable independiente. Los
datos son obtenidos de una muestra de 4 alumnos de la ESPOCH
familiarizados con la programación secuencial en Automatización Industrial y
Mecatrónica.
- 133 -
5.5.1. Descripción de Hipótesis
Hipótesis investigativa: “El diseño de una propuesta metodológica de
programación de PLC’s en Grafcet para las competencias de Mecatrónica
World Skills permitirá disminuir el tiempo de programación de procesos
secuenciales”.
5.5.1.1. Operacionalización Conceptual de Variables
VARIABLE TIPO DE VARIABLE El diseño de una propuesta metodológica de programación de PLC’s en Grafcet
V. Independiente
disminuir el tiempo de programación de procesos secuenciales
V. Dependiente
Tabla V.XI Operacionalización Conceptual de Variables
5.5.1.2. Operacionalización Metodológica de Variabl es
VARIABLES CATEGORIAS INDICADORES INDICES
El diseño de una propuesta metodológica
de programación de PLC’s en Grafcet
Metodología Tradicional
• Análisis • Resolución manual • Resolución en
lenguaje de programación
Conocimiento Grafcet como Método Lenguaje ladder
Metodología Grafcet
• Análisis • Resolución manual • Resolución en
lenguaje de programación
Conocimiento Grafcet como Método Diagramas SFC
disminuir el tiempo de programación de procesos
secuenciales
Velocidad Tiempo de
programación Cronómetro
Conocimiento Depuraciones Depurador paso a paso
Confiabilidad Pruebas de los equipos
Implementación física de sensores y actuadores Implementación lógica – Simulador Programar Cargar al PLC Depurar
Tabla V.XII Operacionalización Metodológica de Variables
- 134 -
5.5.2. Determinación de Muestras y Escalas
La muestra tomada en consideración para analizar esta variable es un grupo de
cuatro estudiantes de la Escuela de Ingeniería en Sistemas, a los cuales se les
evalúa en función de la Metodología Tradicional vs la Metodología Propuesta.
Cada estudiante está siendo evaluado en función del tiempo las diferentesº
Tabla V.XIII Escala de valores
5.5.3. Comprobación de Hipótesis
Para realizar la comprobación de la hipótesis, se partirá de la demostración de
las variables tanto independientes como dependientes, realizando cuadros
comparativos entre la Metodología Tradicional y la Metodología Propuesta.
Recordemos que todos los alumnos son evaluados al presentar los diferentes
casos de uso para su resolución.
A continuación un análisis comparativo cuantitativo entre los componentes de
la variable independiente, que teoriza la hipótesis planteada en función de la
opinión del estudiante, realizando preguntas de punto de vista.
CATEGORIA CUESTIONARIO Resp. Estud .
(Escala) PROM 1º 2º 3º 4º
Metodología Tradicional
¿Se requiere considerable tiempo para programar en etapas y posteriormente
trasladar a lenguaje ladder?
3 4 2 4 3,25
Metodología Grafcet
¿Sería corto el tiempo si se lograría usar los diagramas SFC
como programa? 1 2 2 1 1,50
Tabla V.XIV Cuadro comparativo de la variable independiente
- 135 -
00.5
11.5
22.5
33.5
Tiempo
Met. Trad.
Met. Grafcet
Figura V.80 Comparación gráfica de tiempos entre las metodologías
Análisis:
Se puede comprobar que, en función de la encuesta realizada a los
estudiantes, coinciden que se requiere un considerable tiempo para poder
resolver problemas, y que en comparación con la posibilidad de programar en
SFC como programa, también coinciden que el tiempo sería menor,
reafirmando que la hipótesis es comprobable. Si el tiempo que actualmente se
requiere representa un 81,25%; al encuestar sobre la nueva metodología se
estima que el tiempo requerido abarcaría un 37,5%, se lograría reducir un
43,75% del tiempo que se requiere para programar. Analicemos a continuación
las variables: conocimiento, rapidez y confiabilidad .
CONOCIMIENTO
En la Tabla siguiente, se muestra el análisis comparativo del conocimiento que
demuestran los alumnos a la hora de ejecutar el problema.
Metodología Conocimientos previos
Conocimientos recibidos
Escala (Prom)
Tradicional 4 2 3 Grafcet 4 4 4
Tabla V.XV Cuadro comparativo del conocimiento
- 136 -
0
0.5
11.5
2
2.5
3
3.5
4
Conocimiento
Met. Trad.
Met. Grafcet
Figura Nº V.81 Gráfico estadístico del conocimiento
Análisis:
Se puede apreciar que en conocimientos previos, tienen buena base para
programar en lenguaje tradicional, y por tanto no requerirán tanto conocimiento
a posterior, dando un rendimiento en conocimiento en escala de 3, pero en el
método grafcet, a más del conocimiento previo se les instruye la metodología
propuesta en un 100%, dando una escalabilidad de 4.
VELOCIDAD
En la siguiente tabla se verá que tan rápido resuelven los alumnos aplicando la
metodología tradicional y la metodología propuesta.
Metodología Tiempo (min) Escala
Tradicional 28 2
Grafcet 12 4
Tabla V.XVI Cuadro Comparativo de la velocidad
- 137 -
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Velocidad
Met. Trad.
Met. Grafcet
Figura Nº V.82 Gráfico estadístico de la rapidez
Análisis:
De acuerdo a los datos, en el instante que se ponen a programar, si emplean la
metodología habitual se demoran en función del tiempo, alrededor de 37
minutos como promedio, de aquello se califica con un valor de escala 2. Al
aplicar la metodología grafcet, usaron como promedio 12 minutos, dando un
valor de escala 4.
Confiabilidad
Al programar con el diagrama ladder en la metodología habitual, existe la
probabilidad del 90% que el programa funcionará apenas sea instalado en su
soporte Hardware, en cambio al emplear la metodología grafcet, la confiabilidad
es del 100%. En escala de valores, como no hay diferencia en conocimientos
académicos, se les asignará el valor 4.
Metodología Funcionalidad Escala Tradicional 90% 4 Grafcet 100% 4
Tabla V.XVII Cuadro comparativo de la confiabilidad
- 138 -
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Confiabilidad
Met. Trad.
Met. Grafcet
Figura Nº V.83 Gráfico estadístico de la Confiabilidad
Análisis:
En el caso actual, ambas metodologías bien aplicadas tienen un indicio de
confiabilidad a la hora de cargar al PLC. Por tanto se deduce que se puede
aplicar cualquiera de las dos dependiendo de la habilidad del estudiante.
Comparación Global de las categorías
Con los datos obtenidos se realizó una tabla comparativa entre las variables de
los dos tipos de métodos, tomando en consideración las escalas establecidas
en la Tabla.
PARAMETROS DE COMPARACION METODOLOGÍA HABITUAL
METODOLOGÍA PROPUESTA
Conocimiento 3 4 Rapidez 2 4 Confiabilidad 4 4
Tabla V.XVIII Tabla comparativa de las categorías
- 139 -
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Met. Trad. Met. Grafcet
Conocimiento
Rapidez
Confiabilidad
Figura Nº V.84 Gráfico estadístico de las categorías
Con los datos obtenidos, se desprende que la metodología propuesta
permite incrementar su conocimiento y habilidades, se realiza rápidamente
el proceso y tiene un alto grado de confiabilidad al aplicar la metodología
grafcet, siendo mucho más eficiente en un 100% que la metodología
tradicional. Se ha comprobado además que, en función de la complejidad
del problema, si es menor, entonces el tiempo no es tan notorio, pero si el
ejercicio es más complejo, mejor se notará el tiempo que se ahorra
programando directamente en diagrama SFC como lenguaje.
- 140 -
CONCLUSIONES
El realizar un estudio de los mecanismos para optimizar procesos industriales
mediante la programación en Grafcet, fue un asunto de peso al momento de
elegir el camino de solución al problema planteado.
Nos hemos dado cuenta de la gran necesidad de programar en competencias
de Mecatrónica lo más rápido posible, puesto que ahí se demuestra las
habilidades del estudiante.
Al analizar los tiempos de programación estadísticamente, vemos que el tiempo
para el análisis y diseño del problema son similares, dependiendo de la agilidad
mental que el competidor tenga, pero al momento de programar, el ahorro de la
metodología tradicional y la metodología propuesta es entre 40% y 65%,
dependiendo de la complejidad del problema.
El estudio y la propuesta de las aplicaciones Grafcet, ayudó en gran manera el
ahorro de tiempo y recursos inclusive es reutilizable en otras áreas de estudio.
El aplicar dicha metodología a la estación de distribución nos amplia el
horizonte para mejorar nuestros procesos en cuanto a programación se refiere.
- 141 -
RECOMENDACIONES
Para el estudio de esta metodología se recomienda conocer el mecanismo de
programación en grafcet como método para luego aplicarlo como programa.
Para la aplicación en cualquier estación mecatrónica o de automatización
industrial, se recomienda profundizar los conocimientos de programación
mediante el WAGO I/O PRO
Se recomienda tomar en consideración las características técnicas que cada
tipo de red industrial presenta, que tienen diferentes maneras de diseño, y por
tanto implicaría una demora lo cual no se quisiera perder valioso tiempo.
Se sugiere efectuar un estudio previo en cuanto a la disponibilidad de otros
programas similares que puedan aplicarse esta metodología.
Se aconseja a los estudiantes de la Facultad, que apoyen su investigación en
proyectos similares pues esa información puede sentar la base para el
desarrollo de su trabajo.
- 142 -
RESUMEN
La metodología propuesta en esta investigación permitió programar estaciones
de automatización industrial en corto tiempo, aplicado a competencias de
programación, y se lo realizó con el propósito de disminuir el tiempo en
programación. Se aplicó en la Estación de Distribución marca FESTO, del
Laboratorio de Automatización Industrial de la Escuela de Ingeniería en
Sistemas de la ESPOCH.
Se empleó Hardware PLC Wago 7582 y la Estación de distribución Festo;
como paquete informático Wago I/O Pro 32. Además se empleó el manual
técnico de PLC Wago, aplicándose método inductivo, experimental y técnicas
de programación Ladder vs Grafcet.
Con el método Ladder se analizó, diseñó, implementó y programó con el
estándar IEC 61131-3, el tiempo empleado fue de 45 minutos. En cambio con
la metodología propuesta, siendo una técnica gráfica, se usó el SFC –
Sequential Function Chart– analítico y programado, empleando 21 minutos,
obteniendo un ahorro del 53.33%, con un margen de error de 0.05.
En conclusión, se alcanzó el objetivo en un 95% en cuanto a velocidad de
programación usando la metodología propuesta. Se recomienda el uso
práctico de la programación Grafcet lo que permitirá adquirir destrezas en su
manejo.
- 143 -
SUMMARY
The methodology proposed in this investigation allowed to program stations of
industrial automation in short time, applied to programming competitions, and
she was carried with the purpose of diminishing the time in programming. It was
applied in the Station of Distribution FESTO it marks, of the Laboratory of
Industrial Automation of the School of Engineering in Systems of the ESPOCH.
Hardware PLC Wago 7582 was used and the distribution Station Festo; as
software package Wago I/O Pro 32. Also the technical manual of PLC Wago
was used, being applied inductive method, experimental and technical of
programming Ladder vs Grafcet.
With the method Ladder was analyzed, it designed, it implemented and it
programmed with the standard IEC 61131-3, the used time was of 45 minutes.
On the other hand with the proposed methodology, being a graphic technique,
the SFC -Sequential Function Chart- was used analytic and programmed, using
21 minutes, obtaining a saving of 53.33%, with a margin of error of 0.05.
In conclusion, the objective was reached in 95% as for programming fast using
the proposed methodology. The practical use of the programming Grafcet that
is recommended that will allow to acquire skills in management.
- 144 -
GLOSARIO DE TERMINOS
AUTÓMATA
Controlador programable Twido. Existen dos tipos de controladores:
compacto y modular.
AUTOMATIZACIÓN
Automatización es la tecnología que trata de la aplicación de sistemas
mecánicos, electrónicos y de bases computacionales para operar y controlar la
producción.
GRAFCET
Grafcet permite representar gráficamente y de forma estructurada el
funcionamiento de una operación secuencial. Método analítico que divide
cualquier sistema de control secuencial en una serie de pasos a los que se
asocian acciones, transiciones y condiciones.
LENGUAJE LADDER
Programa escrito en lenguaje Ladder compuesto por una representación
gráfica de instrucciones de un programa de controlador con símbolos para
contactos, bobinas y bloques en una serie de escalones ejecutados de forma
secuencial por un controlador.
- 145 -
PLC
Son dispositivos electrónicos creados específicamente para el control de
procesos secuenciales, con el fin de lograr que una máquina o cualquier otro
dispositivo funcionen de forma automática. Puesto que están pensados para
aplicaciones de control industrial, su diseño les confiere una especial robustez.
- 146 -
BIBLIOGRAFIA
BIBLIOGRAFÍA GENERAL
ALCIATORE, DAVID y HISTAND MICHAEL B. Introducción a la Mecatrónica y
a los Sistemas de Medición. 3a ed. California: Mcgraw-Hill, 2008.
CASTRO GIL, ALONSO y DÍAZ, FERNANDO. Comunicaciones Industriales:
sistemas distribuidos y aplicaciones. Madrid: Paraninfo, 2007.
PIEDRAFITA MORENO, RAMÓN. Ingeniería de la Automatización Industrial.
2a. Edición. México D.F.: Ra-ma, 2004.
EQUIPOS MECATRÓNICOS
http://www.festo-didactic.com/int-es/product-search/?search=GSM.
200805
http://www.festo-didactic.com/int-es/learning-systems/mps-sistema-de-producci-
n-modular/mps-200/mps-203-it-mantenimiento-y-diagnosis-remotos-con-
paquete-de-visualizaci-n-y-mechatronics-assistant.htm
200805.
http://www.wago.com/wagoweb/documentation/app_note/a1119.pdf.
200805
- 147 -
http://www.automation.siemens.com/tia/index_00.htm
200805.
http://www.automation.siemens.com/download/internet/cache/3/1378398/pub/e
s/k_schrift_es-0406.pdf
200805
REDES INDUSTRIALES
http://www.textoscientificos.com/redes/ethernet
200806
http://tec.upc.es/ie/practi/Sistemas.pdf
200807
http://www.profibus.com/metanavigation/weiche/pb/pb.html
200807
http://en.wikipedia.org/wiki/Profibus
200808
CONTROL LÓGICO PROGRAMABLE (PLC)
http://www.isa.uniovi.es/~felipe/files/infindII/documentos/Pres%20Genia%20IEC
%201131-123.pdf
- 148 -
2009-11-21
http://es.wikipedia.org/wiki/Estandarizaci%C3%B3n.
2009-11-21
http://isa.uniovi.es/docencia/IngdeAutom/transparencias/iec1131-
3%20espa%F1ol.pdf
2009-12-23
- 149 -
ANEXOS
.
ANEXOS
- 150 -
ANEXO 1
MANUAL BASICO DE PROGRAMACION DE WAGO I/O PRO 32
Proceso de instalación
Para instalar el programa procedemos lo siguiente
1. Localizar la carpeta I O Pro32 y acceder al ejecutable SETUP.
- 151 -
2. Al pulsar se presentará la pantalla en donde debemos escoger el idioma en
el cual se instalará el programa. En nuestro caso escogemos el idioma
INGLES.
3. A continuación se presenta el logo de bienvenida del programa WAGO IO
PRO 32 y los primeros pasos para continuar con la instalación.
- 152 -
4. Pulsamos Siguiente y debemos llenar los datos requeridos y el serial que
está en un archivo en formato .rtf, el mismo que se encuentra en la carpeta I
O Pro.
- 153 -
5. Después de pulsar Siguiente, confirmamos los datos que están los
correctos.
- 154 -
6. Al pulsar siguiente nos identifica en donde se va a instalar el programa por
defecto, o si deseáramos ubicarlo en otro sitio lo podemos hacer. En
nuestro caso conservamos la ubicación predeterminada del programa.
7. En la siguiente pantalla se ve tres opciones de instalación. Para nosotros,
queremos solo instalar el programa, por lo tanto escogemos la opción
Completar nueva instalación.
- 155 -
8. De aquí en adelante solo nos pide la versión en la cual vamos a trabajar,
escogemos la versión 2.2 y nos indica los accesos directos, nos advierte
que debemos reiniciar el equipo para no tener ningún problema y
concluimos con la instalación.
Creación del Proyecto
Antes de programar, recordemos que siempre que se accede al programa, este
por defecto abrirá una ventana PLC_PRG ya sea del programa que se inició o
del último programa utilizado, por tanto en el momento de ir al menú FILE se
eliminará el archivo y crearemos uno nuevo o modificaremos el que
requeramos.
Al acceder al menú FILE tenemos las siguientes opciones de programación:
Lista de Instrucciones (IL), Escalera (LD), Diagrama de bloques funcionales
(FBD), Gráfico funcional secuencial (SFC), Texto estructurado (ST) y Gráfico
continuo de funciones (CFC). Escogeremos la opción SFC.
Explicaremos la creación de simulaciones para PLC usando el lenguaje
Grafcet, para esto se selecciona SFC como se muestra en la imagen siguiente.
- 156 -
Guardar el proyecto
Para guardar el proyecto ir a FILE – Save As…. y escribir el nombre del
proyecto deseado. Todo archivo se guarda por defecto en la siguiente carpeta
y con la extensión (*.pro)
C:/Archivos de Programa/WAGO-IO-PRO 32/Project
Inserción de bibliotecas
Para la creación del proyecto es necesario contar con las herramientas, en la
programación con grafcet se requieren dos bibliotecas, la Standard y la de la
norma IEC.
Para anexarlas, ir al menú Window y escoger la opción “Library Manager”,
aparece un recuadro en el cual está por defecto la librería Standard.lib,
añadiremos la librería Iecsfc.lib de la siguiente manera, hacer click derecho
sobre la librería predeterminada y escoger la opción “Additional Library….”,
aparece un recuadro con algunas librerías, escogemos la librería Iecsfc.lib , y
tenemos listas las herramientas para programar.
- 157 -
Programación en Grafcet
El grafcet que aparece en el editor, tiene la etapa principal, se reconoce por ser
la primera y porque es un cuadro con doble línea, la acción asociada a esta
etapa que es el cuadro a la derecha con su cualificador y el actuador
(Action_1), la transición (Trans0) y el retorno.
Para anexar más etapas se debe ubicar el cursor sobre la transición cero
(Trans0) e ir a la barra de herramientas y dar click sobre la opción “Step-
Transition (after)” o “Transición de paso después”.
- 158 -
La nueva etapa se agregó después de la transición, si se quiere anexar la
nueva etapa antes de la transición cero se da click sobre el icono al lado del
usado.
Creación de variables
Posicionar el cursor sobre la transición cero, en este caso se escribe el nombre
del sensor o el mando, por ejm: Pulsador abrir: Pabrir, al terminar de asignar
nombre aparece la ventana para la declaración de variables, en él se
selecciona el tipo de variable en “Class”, se selecciona Variable global, y se le
asigna una dirección de entrada, como lo presenta la noma IEC 61131-3. Para
entradas se usa I y para salida se usa en el direccionamiento Q. Ejm. %I0.0.
La asignación de variables de salida, o las acciones, debe configurarse en la
pestaña de “Resources” en la parte inferior izquierda, llamado organizador de
objetos, escoger la sección “Global Variable” y dentro de las sentencias
VAR_GLOBAL … END_VAR se añade lo siguiente:
“Abrir_Puerta AT %QX0.0:BOOL”
- 159 -
Finalmente se tiene un grafcet sencillo.
Las acciones tienen determinadas características como la N, a continuación
una tabla de su significado.
- 160 -
Proceso de simulación sin el PLC
Para completar el ejercicio, a la transición 1 le declaramos como una variable
de entrada Pcerrar. Ahora para ejecutar el programa seguimos los siguientes
pasos:
1. Ir al menú Online y habilitar la opción “Simulation Mode”.
2. Ir al menú Login y a continuación aparece un recuadro denominado
acoplador de selección.
- 161 -
3. Por lo general se escoge la última opción para no tener problemas de
configuración. Cuando tengamos conectado el PLC al equipo y estamos
usando el programa WAGO, al deshabilitar el simulador se cargará
automáticamente el programa para las respectivas pruebas.
4. En el momento de pulsar OK tendremos habilitado el programa. En el
menú Online pulsamos la opción RUN y tenemos el programa listo para
ser probado.
- 162 -
Para que el programa siga ejecutando paso por paso, abrimos en “Recursos”, y
acceder a las variables globales,
Hacemos doble click para cambiar el valor booleano TRUE en la variable de
entrada Pabrir y después pulsar CTRL+F7, esto permite que el programa siga a
la segunda etapa, y podemos volver a pulsar doble click en la variable de
entrada Pabrir para que tengamos el valor FALSE y se deshabilite la entrada.
A continuación pulsamos doble click en la entrada Pcerrar para tener el valor
TRUE y después CTRL+F7 y volvemos a la posición Init, comprobando que el
programa sí funciona.
- 163 -
Habrán programas que se requerirán secuencias simultaneas, saltos, etc. se
puede acceder a la barra de herramientas y manipular las diferentes opciones.
Requerirá mucha práctica para poder usar hábilmente este programa. Este es
solo un manual básico para programar con WAGO IO-PRO 32.